在不降低性能的情况下提高代码的可读性对于C中的此代码段

编程问答 2022-06-04

问题描述

在一个相当大且复杂的C程序中，运行时间是第一要务，我必须决定如何编写这样的代码段：

for (int i=0; i < md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts_num; i++)
{
    if (md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core.GroupID == RESERVED_GROUP)
    {
        md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core.GroupID = GroupID;
        fmd_real_t mass = md->potsys.atomkinds[md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core.atomkind].mass;
        for (int d=0; d<3; d++)
            md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core.v[d] -= MomentumSum[d] / (AtomsNum * mass);
    }
}

使用下面的pc这样的指针，可以使此代码更具可读性和紧凑性：

for (int i=0; i < md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts_num; i++)
{
    if (md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core.GroupID == RESERVED_GROUP)
    {
        particle_core_t *pc = &md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core;

        pc->GroupID = GroupID;
        fmd_real_t mass = md->potsys.atomkinds[pc->atomkind].mass;
        for (int d=0; d<3; d++)
            pc->v[d] -= MomentumSum[d] / (AtomsNum * mass);
    }
}

但是取消引用pc会占用一些cpu时间吗？我通常使用第一种形式，有时使用第二种形式，但不知道哪种更好。我使用-O3的gcc进行优化。

我知道测量运行时间并进行比较可能会提供一个答案，但是了解经验丰富且专业的程序员始终会非常有帮助。特别是，仅比较时间并不能说明为什么一种形式更快。

解决方法

看看jtbandes的godbolt example中的程序集。这是用于内部循环可读版本的gcc的x86-64程序集：

particle_core_t *pc = &md->global_grid[ic[0]][ic[1]][ic[2]].parts[i].core;

pc->GroupID = GroupID;
fmd_real_t mass = md->potsys.atomkinds[pc->atomkind].mass;
for (int d=0; d<3; d++)
  pc->v[d] -= MomentumSum[d] / (AtomsNum * mass);

gcc非常聪明，可以看到d上的循环进行了3次迭代，因此将其展开。还可以看到，每次迭代中的lhs都在同一数组中，因此它可以将数组地址有效地存储在rcx中，而不是重复地取消对pc->v的引用。

mov     rcx,QWORD PTR [rax+8]        ; rcx = pc->v.
mov     DWORD PTR [rax],ebp
pxor    xmm0,xmm0
add     rdx,1
movsx   rax,DWORD PTR [rax+4]
mov     rsi,QWORD PTR [r11+8]
cvtsi2sd        xmm0,r8d
movsd   xmm2,QWORD PTR [rbx]         ; Load xmm2 = MomentumSum[0].
movsd   xmm1,QWORD PTR [rcx]         ; Load xmm1 = pc->v[0].
lea     rax,[rax+rax*2]
lea     rax,[rsi+rax*8]
mulsd   xmm0,QWORD PTR [rax+16]      ; Compute xmm0 = AtomsNum * mass.
movsx   rax,DWORD PTR [r10]
mov     rax,QWORD PTR [r12+rax*8]
divsd   xmm2,xmm0                    ; xmm2 /= xmm0
subsd   xmm1,xmm2                    ; xmm1 -= xmm2
movsd   QWORD PTR [rcx],xmm1         ; Store pc->v[0] = xmm1.
movsd   xmm2,QWORD PTR [rbx+8]
movsd   xmm1,QWORD PTR [rcx+8]
divsd   xmm2,xmm0
subsd   xmm1,xmm2
movsd   QWORD PTR [rcx+8],xmm1       ; Store pc->v[1] = xmm1.
movsd   xmm1,QWORD PTR [rbx+16]
divsd   xmm1,xmm0
movsd   xmm0,QWORD PTR [rcx+16]
subsd   xmm0,xmm1
movsd   QWORD PTR [rcx+16],xmm0      ; Store pc->v[2] = xmm1.
movsx   rcx,DWORD PTR [r10+4]
mov     r9,QWORD PTR [rax+rcx*8]
movsx   rcx,DWORD PTR [r10+8]
lea     rax,[rcx+rcx*2]
lea     rsi,[r9+rax*8]
mov     edi,DWORD PTR [rsi]
cgccperformancereadability