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关于for循环的执行效率问题(转)

(2012-05-14 17:58:59)
标签:

for循环

效率

it

分类: Java

关于for循环的执行效率问题

先提出这样一个问题,是我昨天去一家公司面试时遇到的问题,
模块一:
1  forint i= 0;i<N; i++)
2  {
3      A;
4      B;
5      C;
6  }
7 
模块二:
 1  forint i= 0;i<N; i++)
 2  {
 3      A;
 4  }
 5  forint i= 0;i<N; i++)
 6  {
 7      B;
 8  }
 9 
10  forint i= 0;i<N; i++)
11  {
12      C;
13  }
举出3个例子说明模块一比模块二执行效率高,同样举出3个例子证明模块二比模块一执行效率高。
头一次遇到这种问题,很棘手,我当时的思路是从cpu执行效率、内存使用效率这两个方面来考虑,列举了一些可能的情况,应付了过去。
回来仔细想了一下,查了一些相关的帖子好像都有提过,但都不是很全面,先把问题抛在这个地方等搞清楚了在写。

我以前遇到的问题大概都是这种类型的:
 1 for(int 0;i<100;i++)
 2 {
 3    for(int 0;j<10000;j++)
 4    {
 5       //balabalahttp://www.cppblog.com/Images/dot.gif
 6    }
 7 }
 8 
 9 for(int 0;i<10000;i++)
10 {
11    for(int 0;j<100;j++)
12    {
13       //balabalahttp://www.cppblog.com/Images/dot.gif
14    }
15 }
这两个程序那个执行效率高,如果是以前我会毫不犹豫的说是第一个效率高,这是由于cpu切换的次数比较多导致性能下降,知道这句话不理解什么原理。我比较赞同下面的说法,
1. 最长循环放到内部可以提高I cache的效率,降低因为循环跳转造成cache的miss以及流水线flush造成的延时
2. 多次相同循环后也能提高跳转预测的成功率,提高流水线效率
3. 编译器会自动展开循环提高效率, 这个不一定是必然有效的
但不是绝对正确的,比如: 1 int x[1000][100];
 2 for(i=0;i<1000;i++)
 3   for(j=0;j<100;j++)
 4 {
 5   //access x[i][j]
 6 }
 7 
 8 int x[1000][100];
 9 for(j=0;j<100;j++)
10   for(i=0;i=1000;i++)
11 {
12   //access x[i][j]
13 }
14 
这时候第一个的效率就比第二个的高,原因嘛和硬件也有一些关系,CPU对于内存的访问都是通过数据缓存(cache)来进行的。比如一个通用CPU,一级缓存(L1-Cache)的大小为16K,而其组织结构为每32个字节一组(cache line size=32byte),
也就是每次从二级缓存或内存取数据到一级缓存,都是一次性取32个字节。
对于上面的第一段代码,每次取数据到一级缓存,都有连续8次内存访问可以共享一条缓存。
而对于第二段代码,每次取数据到一级缓存后,访问一次后,基本上就没有机会被再次使用了;
上面这两段代码的区别在于第一段代码,每次内存访问后,地址值需要加常数4,而第二段代码,每次访问后,地址值加400。
如果没有对于缓存访问的区别,那么这时我们的确可以将长的循环放在里层,短的放在外层。但是而其主要原因不是一般人所想象的指令数目的区别的问题,
而主要由于分支预测错误会引起的流水线中断从而导致性能的降低。

-------------
观点2(重点在数组)

在多重循环中,如果有可能,应当将最长的循环放在最内层,最短的循环放在最外层,以减少CPU跨切 ...
这种说法是错误的。譬如,对数组操作的两层循环,如果数组的物理存储是行优先的(现在的数组都是如此),则应该外层对行,内层对列,才有高效率。这样才能 充分发挥Cache的效果,即提高Cache的命中率。如果反过来做,特别是当列数很多、元素很大时,Cache的命中率会非常低。世界级的大牛,比如写 《深入C++对象模型》,或者C++之父BS,遇到效率问题,一般都会说:理论上可能如何如何,但是真正的结果一定要在具体的环境中实际测试。优化除了有 良好的算法结构以外,还涉及到很多的方面,硬件的处理方式必须有所了解

除了cache以外,现代CPU会对代码进行分支预测和预读取等优化执行效率的处理
如果代码编译后生成的机器语言更适合CPU的优化执行,执行效率也会高出不少

不过了解太多的底层实现来优化程序,成本太高。
大部分情况下,一般的设计人员只要有良好的代码结构就足够了。我估计林博士应该和我的观点是一样的^_^

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