Question

我的程序的输入是一个大字符串，大约30,000个字符。下面是我自己的代码：

size_t  strlen(const char *c)
{
    int i;

    i = 0;
    while (c[i] != '\0')
        i++;
    return (i);
}

上面strlen的版本执行大约需要2.1秒。通过不同的版本，我可以达到约1.4秒。

我的问题是，为什么多个if语句比执行while循环更快？

size_t  strlen(const char *str)
{
    const char  *start;

    start = str;
    while (1)
    {
        if (str[0] == '\0')
            return (str - start);
        if (str[1] == '\0')
            return (str - start + 1);
        if (str[2] == '\0')
            return (str - start + 2);
        if (str[3] == '\0')
            return (str - start + 3);
        if (str[4] == '\0')
            return (str - start + 4);
        if (str[5] == '\0')
            return (str - start + 5);
        if (str[6] == '\0')
            return (str - start + 6);
        if (str[7] == '\0')
            return (str - start + 7);
        if (str[8] == '\0')
            return (str - start + 8);
        str += 9; // 
    }
}

我的问题是，为什么很多if语句比循环运行还要快？

编辑：使用stantard lib大约需要1.25秒。

Answer 1

您的问题是相关的，但您的基准测试不完整，结果令人惊讶。

这是您代码的修改和检测版本：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define VERSION     3
#define TRIALS      100
#define ITERATIONS  100

#if VERSION == 1

size_t strlen1(const char *c) {
    size_t i;

    i = 0;
    while (c[i] != '\0')
        i++;
    return (i);
}
#define strlen(s)  strlen1(s)

#elif VERSION == 2

size_t strlen2(const char *str) {
    const char  *start;

    start = str;
    while (1) {
        if (str[0] == '\0')
            return (str - start);
        if (str[1] == '\0')
            return (str - start + 1);
        if (str[2] == '\0')
            return (str - start + 2);
        if (str[3] == '\0')
            return (str - start + 3);
        if (str[4] == '\0')
            return (str - start + 4);
        if (str[5] == '\0')
            return (str - start + 5);
        if (str[6] == '\0')
            return (str - start + 6);
        if (str[7] == '\0')
            return (str - start + 7);
        if (str[8] == '\0')
            return (str - start + 8);
        str += 9;
    }
}
#define strlen(s)  strlen2(s)

#elif VERSION == 3

size_t strlen3(const char *str) {
    const uint64_t *px, sub = 0x0101010101010101, mask = 0x8080808080808080;
    const char *p;

    for (p = str; (uintptr_t)p & 7; p++) {
        if (!*p)
            return p - str;
    }
    for (px = (const uint64_t *)(uintptr_t)p;;) {
        uint64_t x = *px++;
        if (((x - sub) & ~x) & mask)
            break;
    }
    for (p = (const char *)(px - 1); *p; p++)
        continue;
    return p - str;
}
#define strlen(s)  strlen3(s)

#endif

int get_next_line(int fd, char **pp) {
    char buf[32768];
    char *line = NULL, *new_line;
    char *p;
    ssize_t line_size = 0;
    ssize_t nread, chunk;

    while ((nread = read(fd, buf, sizeof buf)) > 0) {
        p = memchr(buf, '\n', nread);
        chunk = (p == NULL) ? nread : p - buf;
        new_line = realloc(line, line_size + chunk + 1);
        if (!new_line) {
            free(line);
            *pp = NULL;
            return 0;
        }
        line = new_line;
        memcpy(line + line_size, buf, chunk);
        line_size += chunk;
        line[line_size] = '\0';
        if (p != NULL) {
            lseek(fd, chunk + 1 - nread, SEEK_CUR);
            break;
        }
    }
    *pp = line;
    return line != NULL;
}

int main() {
    char *line = NULL;
    int fd, fd2, count, trial;
    clock_t min_clock = 0;

    fd = open("one_big_fat_line.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        printf("cannot open one_big_fat_line.txt\n");
        return 1;
    }

    fd2 = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE);
    if (fd2 < 0) {
        printf("cannot open output.txt\n");
        return 1;
    }

    for (trial = 0; trial < TRIALS; trial++) {
        clock_t t = clock();
        for (count = 0; count < ITERATIONS; count++) {
            lseek(fd, 0L, SEEK_SET);
            lseek(fd2, 0L, SEEK_SET);
            while (get_next_line(fd, &line) == 1) {
                write(fd2, line, strlen(line));
                write(fd2, "\n", 1);
                free(line);
            }
        }
        t = clock() - t;
        if (min_clock == 0 || min_clock > t)
            min_clock = t;
    }
    close(fd);
    close(fd2);

    double time_taken = (double)min_clock / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("Version %d time: %.3f microseconds\n", VERSION, time_taken * 1000000 / ITERATIONS);
    return 0;
}

程序将打开文件，并使用自定义函数read_next_line()从文件中读取行，该函数使用UNIX系统调用，而malloc返回任意大小的行。然后，它使用unix系统调用write编写这些行，并在换行后附加一个单独的系统调用。

以测试文件为基准，该序列是一个30000字节的文件，其中包含一行ASCII字符，显示出与您所测量的性能完全不同的性能：根据strlen的选定实现方式和编译优化设置，在我的笔记本电脑上，每次迭代的时间范围从15微秒到82微秒，与您观察到的相差1到2秒。

使用C库的默认实现，无论有没有优化，每次迭代都可以得到14.5微秒。
使用您的strlen1天真实施，禁用优化后我得到82微秒，而-O3优化时我得到25微秒。
使用您的strlen2展开的实施，-O0的速度提高到30微秒，-O3的速度提高到20微秒。
最后，一次更高级的C实现一次{8}读取8个字节，strlen3可以进一步提高性能，而-O0可以达到15.5微秒。

请注意，与手动优化相比，编译器优化对性能的影响要大得多。

展开版本的性能更好的原因是，生成的代码每字节增加一次指针，并且每字节执行一次无条件跳转，而展开版本将指针减少到每9字节一次。但是请注意，C编译器在-O3的天真代码上获得的性能几乎与您自己展开循环的性能相同。

高级版本的性能与C库实现非常接近，C库实现可能使用带有SIMD指令的汇编语言。它一次读取8个字节，并执行算术技巧以检测从其值中减去-O3时，这些字节中的任何一个最高位是否从0变为1。需要额外的初始步骤来对齐指针以读取64位字，从而避免在某些体系结构上具有未定义行为的未对齐读取。它还假定在字节级别上不提供内存保护。在现代x86系统上，内存保护的粒度为4K或更大，但是其他一些系统（例如Windows 2.x）的保护粒度则要小得多，从而完全阻止了这种优化。

但是请注意，基准测试还测量从输入文件读取，定位换行符和写入输出文件的时间。 1和strlen的相对性能可能要重要得多。确实，仅strlen3的30000字节行的基准显示strlen(line)的时间为2.2微秒，strlen3()的时间为0.85微秒。

结论：

基准测试是一个棘手的游戏。
编译器被告知擅长优化，strlen()是一个很好的默认值。
重新定义库函数以尝试和优化它们是徒劳和冒险的。

为什么多个if语句比执行while循环更快？

1 个答案: