Bietet das einschränkende Schlüsselwort erhebliche Vorteile bei GCC/G ++?

Question

Hat jemand jemals Zahlen/Analysen darüber gesehen, ob die Verwendung des C/C ++ verwendet wird oder nicht restrict Das Schlüsselwort in GCC/G ++ bietet tatsächlich einen signifikanten Leistungsschub in der Realität (und nicht nur in der Theorie)?

Ich habe verschiedene Artikel gelesen, in denen die Verwendung empfohlen / abfällt, aber ich habe keine realen Zahlen auf die beiden Seiten der Argumente nachgewiesen.

BEARBEITEN

ich weiß das restrict ist nicht offiziell Teil von C ++, aber es wird von einigen Compilern unterstützt und ich habe ein Papier von gelesen Christer Ericson was dringend seine Verwendung empfiehlt.

Answer 1

Das einschränkende Schlüsselwort macht einen Unterschied.

Ich habe in einigen Situationen Verbesserungen von Faktor 2 und mehr gesehen (Bildverarbeitung). Meistens ist der Unterschied jedoch nicht so groß. Ungefähr 10%.

Hier ist ein kleines Beispiel, das den Unterschied veranschaulicht. Ich habe eine sehr einfache 4x4 -Vektor * Matrix -Transformation als Test geschrieben. Beachten Sie, dass ich die Funktion zwingen muss, nicht eingebaut zu werden. Andernfalls erkennt GCC, dass es in meinem Benchmark -Code keine Aliasing -Zeiger gibt, und einschränken würden aufgrund des Einbindung keinen Unterschied machen.

Ich hätte die Transformationsfunktion auch in eine andere Datei verschieben können.

#include <math.h>

#ifdef USE_RESTRICT
#else
#define __restrict
#endif


void transform (float * __restrict dest, float * __restrict src, 
                float * __restrict matrix, int n) __attribute__ ((noinline));

void transform (float * __restrict dest, float * __restrict src, 
                float * __restrict matrix, int n)
{
  int i;

  // simple transform loop.

  // written with aliasing in mind. dest, src and matrix 
  // are potentially aliasing, so the compiler is forced to reload
  // the values of matrix and src for each iteration.

  for (i=0; i<n; i++)
  {
    dest[0] = src[0] * matrix[0] + src[1] * matrix[1] + 
              src[2] * matrix[2] + src[3] * matrix[3];

    dest[1] = src[0] * matrix[4] + src[1] * matrix[5] + 
              src[2] * matrix[6] + src[3] * matrix[7];

    dest[2] = src[0] * matrix[8] + src[1] * matrix[9] + 
              src[2] * matrix[10] + src[3] * matrix[11];

    dest[3] = src[0] * matrix[12] + src[1] * matrix[13] + 
              src[2] * matrix[14] + src[3] * matrix[15];

    src  += 4;
    dest += 4;
  }
}

float srcdata[4*10000];
float dstdata[4*10000];

int main (int argc, char**args)
{
  int i,j;
  float matrix[16];

  // init all source-data, so we don't get NANs  
  for (i=0; i<16; i++)   matrix[i] = 1;
  for (i=0; i<4*10000; i++) srcdata[i] = i;

  // do a bunch of tests for benchmarking. 
  for (j=0; j<10000; j++)
    transform (dstdata, srcdata, matrix, 10000);
}

---

Ergebnisse: (auf meinem 2 -GHz -Kern -Duo)

nils@doofnase:~$ gcc -O3 test.c
nils@doofnase:~$ time ./a.out

real    0m2.517s
user    0m2.516s
sys     0m0.004s

nils@doofnase:~$ gcc -O3 -DUSE_RESTRICT test.c
nils@doofnase:~$ time ./a.out

real    0m2.034s
user    0m2.028s
sys     0m0.000s

Über den Daumen um 20% schneller Ausführung, auf das System.

Um zu zeigen, wie sehr es von der Architektur abhängt, habe ich denselben Code auf einer Cortex-A8-eingebetteten CPU ausgeführt (angepasst die Schleifenzahl ein wenig, weil ich nicht so lange warten möchte):

root@beagleboard:~# gcc -O3 -mcpu=cortex-a8 -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp test.c
root@beagleboard:~# time ./a.out

real    0m 7.64s
user    0m 7.62s
sys     0m 0.00s

root@beagleboard:~# gcc -O3 -mcpu=cortex-a8 -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp -DUSE_RESTRICT test.c 
root@beagleboard:~# time ./a.out

real    0m 7.00s
user    0m 6.98s
sys     0m 0.00s

Hier beträgt der Unterschied nur 9% (der gleiche Compiler übrigens).

Answer 2

Bietet das einschränkende Schlüsselwort erhebliche Vorteile bei GCC / G ++?

Es kann Reduzieren Sie die Anzahl der Anweisungen, wie im folgenden Beispiel gezeigt. Verwenden Sie sie also nach Möglichkeit.

GCC 4.8 Linux x86-64 Beispielbeispiel

Eingang:

void f(int *a, int *b, int *x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

Kompilieren und zersetzen:

gcc -g -std=c99 -O0 -c main.c
objdump -S main.o

Mit -O0, Sie sind gleich.

Mit -O3:

void f(int *a, int *b, int *x) {
    *a += *x;
   0:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   2:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
   4:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   6:   01 06                   add    %eax,(%rsi)  

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x) {
    *a += *x;
  10:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
  12:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
  14:   01 06                   add    %eax,(%rsi) 

Für die Uneingeweihten die Konvention anrufen ist:

• rdi = erster Parameter
• rsi = Zweiter Parameter
• rdx = dritter Parameter

Fazit: 3 Anweisungen statt 4.

Natürlich Anweisungen kann unterschiedliche Latenzen haben, aber das gibt eine gute Idee.

Warum konnte GCC das optimieren?

Der obige Code wurde aus dem entnommen Wikipedia -Beispiel welches ist sehr aufschlussreich.

Pseudo -Montage für f:

load R1 ← *x    ; Load the value of x pointer
load R2 ← *a    ; Load the value of a pointer
add R2 += R1    ; Perform Addition
set R2 → *a     ; Update the value of a pointer
; Similarly for b, note that x is loaded twice,
; because a may be equal to x.
load R1 ← *x
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

Zum fr:

load R1 ← *x
load R2 ← *a
add R2 += R1
set R2 → *a
; Note that x is not reloaded,
; because the compiler knows it is unchanged
; load R1 ← *x
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

Ist es wirklich schneller?

Ähmmm ... nicht für diesen einfachen Test:

.text
    .global _start
    _start:
        mov $0x10000000, %rbx
        mov $x, %rdx
        mov $x, %rdi
        mov $x, %rsi
    loop:
        # START of interesting block
        mov (%rdx),%eax
        add %eax,(%rdi)
        mov (%rdx),%eax # Comment out this line.
        add %eax,(%rsi)
        # END ------------------------
        dec %rbx
        cmp $0, %rbx
        jnz loop
        mov $60, %rax
        mov $0, %rdi
        syscall
.data
    x:
        .int 0

Und dann:

as -o a.o a.S && ld a.o && time ./a.out

auf Ubuntu 14.04 AMD64 CPU Intel i5-3210m.

Ich gebe zu, dass ich moderne CPUs immer noch nicht verstehe. Lass es mich wissen wenn du:

• Ich habe einen Fehler in meiner Methode gefunden
• fand einen Assembler -Testfall, in dem es viel schneller wird
• Verstehe, warum es keinen Unterschied gab

Answer 3

Der Artikel Entmystifizierung des eingeschränkten Schlüsselworts bezieht sich auf das Papier Warum Programmierer-spezifiziertes Aliasing eine schlechte Idee ist (PDF), was besagt, dass es im Allgemeinen nicht hilft und Messungen bereitstellt, um dies zu sichern.

Answer 4

Beachten Sie, dass C ++ - Compiler, die das zulassen restrict Schlüsselwort kann es möglicherweise noch ignorieren. Das ist zum Beispiel der Fall hier.

Answer 5

Ich habe getestet Dies C-Programm. Ohne restrict Es dauerte 12,640 Sekunden, bis es fertiggestellt war, mit restrict 12.516. Schaut so aus kann sparen etwas Zeit.