Code Inside:为什么处理已排序数组比处理未排序数组更快?

更新时间:2014-08-25 10:37:27点击次数:623次

很久以前在stackoverflow上看到下面这段代码,今天忍不住把它摘录过来。

#include <algorithm>

#include <ctime>

#include <iostream>

 

int main()

{

    // Generate data

    const unsigned arraySize = 32768;

    int data[arraySize];

 

    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)

        data[c] = std::rand() % 256;

 

    // !!! With this, the next loop runs faster

    std::sort(data, data + arraySize);

 

    // Test

    clock_t start = clock();

    long long sum = 0;

 

    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)

    {

        // Primary loop

        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)

        {

            if (data[c] >= 128)

                sum += data[c];

        }

    }

 

    double elapsedTime = static_cast<double>(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;

 

    std::cout << elapsedTime << std::endl;

    std::cout << "sum = " << sum << std::endl;

}

上面的程序在保留std::sort(data, data + arraySize);语句时,程序运行时间是 11.54秒


但去掉排序语句后,程序运行时间是1.93秒


问题:为什么会出现这种情况?


解答:分支预测。

考虑以下if语句块。对于处理器来说,就是一个分支指令,如下:


处理器每次遇到一条分支时,它都不知道该走哪一条道。这时候该怎么办?程序停下来,等待前面的指令执行完,得到确切的结果后,再接着走某一条分支。


现代处理器都支持指令并行处理和超流水线作业。因此,当处理器遇到程序分支时,都会去猜测应该走哪一条分支。


如果猜对了,程序接着流畅运行。如果猜错了,则处理器需要做一些额外的工作,再次回到那条正确的分支。


因此,如果处理器每次都猜错,那程序的运行时间就会边长。


这就是上面的代码为什么运行时间会相差那么大的原因。


对于分支语句:

if (data[c] >= 128)

    sum += data[c];

在保留std::sort(data, data + arraySize);的情况下。数组data中的内容是这样的:

T = branch taken

N = branch not taken

 

data[] = 0, 1, 2, 3, 4, ... 126, 127, 128, 129, 130, ... 250, 251, 252, ...

branch = N  N  N  N  N  ...   N    N    T    T    T  ...   T    T    T  ...

 

       = NNNNNNNNNNNN ... NNNNNNNTTTTTTTTT ... TTTTTTTTTT  (easy to predict)

在未排序的情况下,数组data中的内容是这样的:


data[] = 226, 185, 125, 158, 198, 144, 217, 79, 202, 118,  14, 150, 177, 182, 133, ...

branch =   T,   T,   N,   T,   T,   T,   T,  N,   T,   N,   N,   T,   T,   T,   N  ...

 

       = TTNTTTTNTNNTTTN ...   (completely random - hard to predict)

也就是说,在已经排序的情况下,处理器便能更好的预测分支了。因此,程序也运行的更快。

 

关于分支预测


阅读linux源代码时,你会发现if(likely( )){}或是if(unlikely( ))这样的语句。对于条件选择语句,gcc内建了一条指令用于优化,在一个条件经常出现,或者该条件很少出现的时候,编译器可以根据这条指令对条件分支选择进行优化。而Linux内核把这条指令封装成了宏likely()和unlikely()。


因此,在编写程序时,如果一个分支条件只有在很少数的情况下才出现时,我们使用unlikely( )和likely( )能够加快程序的运行,这也是一种优化程序的手段。


比如这样:


if ( unlikely(statement) ) { //这里便是告诉编译器,这个条件只在少数情况下发生


dosomething();


}


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