使用powx，2代替x * x和x double有什么好处吗？

编程问答 2022-04-26

问题描述

| 使用此代码有什么好处 
double x;
double square = pow(x,2);
而不是这个？ 
double x;
double square = x*x;
我更喜欢x * x并查看我的实现（Microsoft），在pow中我没有发现任何优势，因为对于特定的方形情况，x * x比pow更简单。 在某些情况下战俘是优越的吗？     

解决方法

        FWIW，在MacOS X 10.6上带有gcc-4.2和
-O3
编译器标志， 
x = x * x;
和 
y = pow(y,2);
产生相同的汇编代码： 
#include <cmath>

void test(double& x,double& y) {
        x = x * x;
        y = pow(y,2);
}
组装至： 
    pushq   %rbp
    movq    %rsp,%rbp
    movsd   (%rdi),%xmm0
    mulsd   %xmm0,%xmm0
    movsd   %xmm0,(%rdi)
    movsd   (%rsi),(%rsi)
    leave
    ret
因此，只要您使用的是体面的编译器，就对您的应用程序编写更有意义的代码，但请注意，
pow(x,2)
永远不会比普通乘法更好。     ,        如果您的意思是x²，std :: pow更具表现力，如果您的意思是xx则xx更具表达力，尤其是在您只是编码例如科学论文，读者应该能够理解您的实现与论文。对于x * x /x²来说，差别可能很小，但是我认为，如果通常使用命名函数，它会提高代码的可扩展性和可读性。 在现代编译器上，例如g ++ 4.x，即使不是编译器内置的，也将内联std :: pow（x，2），并将其强度降低为x * x。如果默认情况下不是这样，并且您不关心IEEE浮点型一致性，请查看编译器手册中的快速数学开关（g ++ == -ffast-math）。 旁注：提到过包括math.h会增加程序大小。我的回答是：   在C ++中，您是
#include <cmath>
，而不是math.h。同样，如果您的编译器不是老旧的，它只会通过您使用的程序来增加程序的大小（一般情况下），并且如果您对std :: pow的使用只是内联到相应的x87指令和现代g ++将用x * x降低x²的强度，则没有相关的尺寸增加。另外，程序的大小永远都不能决定代码的表现力。 cmath与math.h相比的另一个优点是，使用cmath时，每种浮点类型都将获得std :: pow重载，而使用math.h时，您将在全局命名空间中获得pow，powf等，因此cmath可提高适应性代码，尤其是在编写模板时。 一般规则：优先考虑可表达且清晰的代码，而不要考虑可疑的性能和二进制大小的合理代码。 另请参阅Knuth：   “我们应该忘记效率低下，大约有97％的时间是这样：过早的优化是万恶之源” 和杰克逊：   程序优化的第一条规则：不要这样做。程序优化的第二条规则（仅适用于专家！）：暂时不要做。     ,        ѭ9不仅更清晰，而且肯定至少和ѭ10一样快。     ,这个问题触及了关于科学编程的大多数C和C ++实现的关键弱点之一。从Fortran切换到C大约20年，后来又切换到C ++之后，这仍然是一个痛苦的地方之一，有时使我怀疑是否进行切换是一件好事。 简而言之，这个问题是： 实施
pow
的最简单方法是
Type pow(Type x; Type y) {return exp(y*log(x));}
 大多数C和C ++编译器都采取了简单的方法。 有些人可能会“做正确的事”，但只能在高优化级别上进行。 与
x*x
相比，使用
pow(x,2)
的简便方法在计算上非常昂贵，并且会失去精度。 与旨在科学编程的语言相比： 你不写ѭ15。这些语言具有内置的幂运算符。 C和C ++一直坚决拒绝实现幂运算符，这使许多科学程序员的血液都沸腾了。对于一些顽固的Fortran程序员而言，仅此一个原因就永远不要切换到C。 对于所有小的整数幂，要求Fortran（和其他语言）“做正确的事”，其中small是-12到12之间的任何整数。（如果编译器不能做到，则编译器不兼容）正确的事情。）此外，还要求他们关闭优化功能。 许多Fortran编译器还知道如何在不求助于简单方法的情况下提取一些有理根源。 依靠高优化级别来“做正确的事”是一个问题。我曾在多家禁止在安全关键软件中使用优化的组织工作过。在这里损失1000万美元，在这里损失1亿美元之后，内存可能会很长（数十年之久），这都是由于某些优化编译器中的错误所致。 恕我直言，不要在C或C ++中使用ѭ10。我并不孤单。确实使用ѭ10的程序员通常会在代码审查期间花费大量时间。     ,        在C ++ 11中，在一种情况下，使用
x * x
优于
std::pow(x,2)
，并且需要在constexpr中使用它： 
constexpr double  mySqr( double x )
{
      return x * x ;
}
如我们所见，std :: pow未标记为constexpr，因此在constexpr函数中不可用。 否则，从性能角度来看，将以下代码放入Godbolt中可显示以下功能： 
#include <cmath>

double  mySqr( double x )
{
      return x * x ;
}

double  mySqr2( double x )
{
      return std::pow( x,2.0 );
}
生成相同的程序集： 
mySqr(double):
    mulsd   %xmm0,%xmm0    # x,D.4289
    ret
mySqr2(double):
    mulsd   %xmm0,D.4292
    ret
我们应该从任何现代编译器中获得相似的结果。 值得一提的是，目前gcc认为pow是constexpr，在此也进行了介绍，但这是不合格的扩展，不应依赖它，并且可能会在later23ѭ的更高版本中发生更改。     ,        
x * x
将始终编译为简单的乘法。 
pow(x,2)
可能会（但绝对不能保证）被优化到相同的水平。如果未对它进行优化，则可能使用了缓慢的通用上电数学例程。因此，如果您关心性能，则应始终偏爱
x * x
。     ,        恕我直言： 代码可读性 代码健壮性-更容易更改为
pow(x,6)
，也许实现了针对特定处理器的某种浮点机制，等等。 性能-如果有一种更智能，更快速的方法来计算此结果（使用汇编器或某种特殊技巧），pow会做到这一点。你不会.. :) 干杯     ,        我可能会选择
std::pow(x,2)
，因为它可以使我的代码重构更加容易。一旦优化了代码，它就不会有任何区别。 现在，这两种方法并不相同。这是我的测试代码： 
#include<cmath>

double square_explicit(double x) {
  asm(\"### Square Explicit\");
  return x * x;
}

double square_library(double x) {
  asm(\"### Square Library\");  
  return std::pow(x,2);
}

asm(\"text\");
调用只是将注释写入到程序集输出中，这是我使用（OS X 10.7.4上的GCC 4.8.1）生成的： 
g++ example.cpp -c -S -std=c++11 -O[0,1,2,or 3]
您不需要
-std=c++11
，我总是会用它。 第一：调试时（零优化），生成的程序集是不同的；这是相关的部分： 
# 4 \"square.cpp\" 1
    ### Square Explicit
# 0 \"\" 2
    movq    -8(%rbp),%rax
    movd    %rax,%xmm1
    mulsd   -8(%rbp),%xmm1
    movd    %xmm1,%xmm0
    popq    %rbp
LCFI2:
    ret
LFE236:
    .section __TEXT,__textcoal_nt,coalesced,pure_instructions
    .globl __ZSt3powIdiEN9__gnu_cxx11__promote_2IT_T0_NS0_9__promoteIS2_XsrSt12__is_integerIS2_E7__valueEE6__typeENS4_IS3_XsrS5_IS3_E7__valueEE6__typeEE6__typeES2_S3_
    .weak_definition __ZSt3powIdiEN9__gnu_cxx11__promote_2IT_T0_NS0_9__promoteIS2_XsrSt12__is_integerIS2_E7__valueEE6__typeENS4_IS3_XsrS5_IS3_E7__valueEE6__typeEE6__typeES2_S3_
__ZSt3powIdiEN9__gnu_cxx11__promote_2IT_T0_NS0_9__promoteIS2_XsrSt12__is_integerIS2_E7__valueEE6__typeENS4_IS3_XsrS5_IS3_E7__valueEE6__typeEE6__typeES2_S3_:
LFB238:
    pushq   %rbp
LCFI3:
    movq    %rsp,%rbp
LCFI4:
    subq    $16,%rsp
    movsd   %xmm0,-8(%rbp)
    movl    %edi,-12(%rbp)
    cvtsi2sd    -12(%rbp),%xmm2
    movd    %xmm2,%rax
    movq    -8(%rbp),%rdx
    movd    %rax,%xmm1
    movd    %rdx,%xmm0
    call    _pow
    movd    %xmm0,%xmm0
    leave
LCFI5:
    ret
LFE238:
    .text
    .globl __Z14square_libraryd
__Z14square_libraryd:
LFB237:
    pushq   %rbp
LCFI6:
    movq    %rsp,%rbp
LCFI7:
    subq    $16,-8(%rbp)
# 9 \"square.cpp\" 1
    ### Square Library
# 0 \"\" 2
    movq    -8(%rbp),%rax
    movl    $2,%edi
    movd    %rax,%xmm0
    call    __ZSt3powIdiEN9__gnu_cxx11__promote_2IT_T0_NS0_9__promoteIS2_XsrSt12__is_integerIS2_E7__valueEE6__typeENS4_IS3_XsrS5_IS3_E7__valueEE6__typeEE6__typeES2_S3_
    movd    %xmm0,%xmm0
    leave
LCFI8:
    ret
但是，当您生成优化的代码时（即使在GCC的最低优化级别，也就是
-O1
），代码都是相同的： 
# 4 \"square.cpp\" 1
    ### Square Explicit
# 0 \"\" 2
    mulsd   %xmm0,%xmm0
    ret
LFE236:
    .globl __Z14square_libraryd
__Z14square_libraryd:
LFB237:
# 9 \"square.cpp\" 1
    ### Square Library
# 0 \"\" 2
    mulsd   %xmm0,%xmm0
    ret
因此，除非您关心未优化的代码的速度，否则它实际上没有任何区别。 就像我说的：在我看来，“ 28”可以更清楚地传达您的意图，但这只是优先考虑的问题，而不是表现。 对于更复杂的表达式，优化似乎也适用。举个例子： 
double explicit_harder(double x) {
  asm(\"### Explicit,harder\");
  return x * x - std::sin(x) * std::sin(x) / (1 - std::tan(x) * std::tan(x));
}

double implicit_harder(double x) {
  asm(\"### Library,harder\");
  return std::pow(x,2) - std::pow(std::sin(x),2) / (1 - std::pow(std::tan(x),2));
}
同样，使用
-O1
（最低的优化），程序集再次相同： 
# 14 \"square.cpp\" 1
    ### Explicit,harder
# 0 \"\" 2
    call    _sin
    movd    %xmm0,%rbp
    movd    %rbx,%xmm0
    call    _tan
    movd    %rbx,%xmm3
    mulsd   %xmm3,%xmm3
    movd    %rbp,%xmm1
    mulsd   %xmm1,%xmm1
    mulsd   %xmm0,%xmm0
    movsd   LC0(%rip),%xmm2
    subsd   %xmm0,%xmm2
    divsd   %xmm2,%xmm1
    subsd   %xmm1,%xmm3
    movapd  %xmm3,%xmm0
    addq    $8,%rsp
LCFI3:
    popq    %rbx
LCFI4:
    popq    %rbp
LCFI5:
    ret
LFE239:
    .globl __Z15implicit_harderd
__Z15implicit_harderd:
LFB240:
    pushq   %rbp
LCFI6:
    pushq   %rbx
LCFI7:
    subq    $8,%rsp
LCFI8:
    movd    %xmm0,%rbx
# 19 \"square.cpp\" 1
    ### Library,%rsp
LCFI9:
    popq    %rbx
LCFI10:
    popq    %rbp
LCFI11:
    ret
最后：ѭ18方法不需要
include
42ѭ，这将使您的编译在其他所有条件相同的情况下都稍快一些。     
doubledoublepow代替代替使用使用使用好处好处