问题描述
今天我发现示例代码在添加了一些不相关的代码后速度降低了 50%。调试后我发现问题出在循环对齐上。 根据循环代码放置的不同,执行时间也不同,例如:
地址 | 时间[我们] |
---|---|
00007FF780A01270 | 980us |
00007FF7750B1280 | 1500us |
00007FF7750B1290 | 986us |
00007FF7750B12A0 | 1500us |
我之前没想到代码对齐会产生这么大的影响。而且我认为我的编译器足够聪明,可以正确对齐代码。
究竟是什么导致了如此大的执行时间差异? (我想有一些处理器架构细节)。
我用Visual Studio 2019在Release模式下编译的测试程序,在Windows 10上运行。 我已经在 2 个处理器上检查了程序:i7-8700k(上面的结果)和 intel i5-3570k,但那里不存在问题,执行时间总是大约 1250us。 我也试过用 clang 编译程序,但结果总是 ~1500us(在 i7-8700k 上)。
我的测试程序:
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <intrin.h>
using namespace std;
template<int N>
__forceinline void noops()
{
__nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop(); __nop();
noops<N - 1>();
}
template<>
__forceinline void noops<0>(){}
template<int OFFSET>
__declspec(noinline) void SumHorizontalLine(const unsigned char* __restrict src,int width,int a,unsigned short* __restrict dst)
{
unsigned short sum = 0;
const unsigned char* srcP1 = src - a - 1;
const unsigned char* srcP2 = src + a;
//some dummy loop,just a few iterations
for (int i = 0; i < a; ++i)
dst[i] = src[i] / (double)dst[i];
noops<OFFSET>();
//the important loop
for (int x = a + 1; x < width - a; x++)
{
unsigned char v1 = srcP1[x];
unsigned char v2 = srcP2[x];
sum -= v1;
sum += v2;
dst[x] = sum;
}
}
template<int OFFSET>
void RunTest(unsigned char* __restrict src,unsigned short* __restrict dst)
{
double minTime = 99999999;
for(int i = 0; i < 20; ++i)
{
auto start = chrono::steady_clock::Now();
for (int i = 0; i < 1024; ++i)
{
SumHorizontalLine<OFFSET>(src,width,a,dst);
}
auto end = chrono::steady_clock::Now();
auto us = chrono::duration_cast<chrono::microseconds>(end - start).count();
if (us < minTime)
{
minTime = us;
}
}
cout << OFFSET << " : " << minTime << " us" << endl;
}
int main()
{
const int width = 2048;
const int x = 3;
unsigned char* src = new unsigned char[width * 5];
unsigned short* dst = new unsigned short[width];
memset(src,sizeof(unsigned char) * width);
memset(dst,sizeof(unsigned short) * width);
while(true)
RunTest<1>(src,x,dst);
}
要验证不同的对齐方式,只需重新编译程序并将 RunTest 更改为 RunTest 等。 编译器总是将代码对齐到 16 字节。在我的测试代码中,我只是插入了额外的 nops 来移动代码。
为 OFFSET=1 的循环生成的汇编代码(对于其他偏移,只有 npad 的数量不同):
0007c 90 npad 1
0007d 90 npad 1
0007e 49 83 c1 08 add r9,8
00082 90 npad 1
00083 90 npad 1
00084 90 npad 1
00085 90 npad 1
00086 90 npad 1
00087 90 npad 1
00088 90 npad 1
00089 90 npad 1
0008a 90 npad 1
0008b 90 npad 1
0008c 90 npad 1
0008d 90 npad 1
0008e 90 npad 1
0008f 90 npad 1
$LL15@SumHorizon:
; 25 :
; 26 : noops<OFFSET>();
; 27 :
; 28 : for (int x = a + 1; x < width - a; x++)
; 29 : {
; 30 : unsigned char v1 = srcP1[x];
; 31 : unsigned char v2 = srcP2[x];
; 32 : sum -= v1;
00090 0f b6 42 f9 movzx eax,BYTE PTR [rdx-7]
00094 4d 8d 49 02 lea r9,QWORD PTR [r9+2]
; 33 : sum += v2;
00098 0f b6 0a movzx ecx,BYTE PTR [rdx]
0009b 48 8d 52 01 lea rdx,QWORD PTR [rdx+1]
0009f 66 2b c8 sub cx,ax
000a2 66 44 03 c1 add r8w,cx
; 34 : dst[x] = sum;
000a6 66 45 89 41 fe mov WORD PTR [r9-2],r8w
000ab 49 83 ea 01 sub r10,1
000af 75 df jne SHORT $LL15@SumHorizon
; 35 : }
; 36 :
; 37 : }
000b1 c3 ret 0
??$SumHorizontalLine@$00@@YAXPEIBEHHPEIAG@Z ENDP ; SumHorizont
解决方法
在慢速情况下(即 00007FF7750B1280 和 00007FF7750B12A0),jne
指令跨越 32 字节边界。 “跳转条件代码”(JCC) 勘误表 (https://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/processors/mitigations-jump-conditional-code-erratum.pdf) 的缓解措施可防止此类指令缓存在 DSB 中。 JCC 勘误仅适用于基于 Skylake 的 CPU,这就是为什么在 i5-3570k CPU 上不会出现此影响的原因。
正如 Peter Cordes 在评论中指出的那样,最近的编译器提供了尝试减轻这种影响的选项。 Intel JCC Erratum - should JCC really be treated separately? 提到了 MSVC 的 /QIntel-jcc-erratum
选项;另一个相关问题是 How can I mitigate the impact of the Intel jcc erratum on gcc?
我认为我的编译器足够聪明,可以正确对齐代码。
正如您所说,编译器总是将事物对齐为 16 字节的倍数。这可能确实说明了对齐的直接影响。但是编译器的“智能”是有限度的。
除了对齐之外,由于缓存关联性,代码放置也会对性能产生间接影响。如果对可以映射到该地址的少数高速缓存行存在太多争用,性能将受到影响。转移到争用较少的地址会使问题消失。
编译器可能足够智能,可以处理缓存争用效应,但前提是您打开了配置文件引导的优化。交互过于复杂,无法在合理的工作量中进行预测;通过实际运行程序可以更容易地观察缓存冲突,而这正是 PGO 所做的。