C++性能剖析教程之循環展開

什么是循環展開？

循環展開，英文中稱Loop unwinding或loop unrolling，是一種犧牲程序的尺寸來加快程序的執行速度的優化方法?？梢杂沙绦騿T完成，也可由編譯器自動優化完成。循環展開最常用來降低循環開銷，為具有多個功能單元的處理器提供指令級并行。也有利于指令流水線的調度。

循環展開能從兩方面改進程序的性能：

• 減少了不直接有助于程序結果的操作的數量，例如循環索引計算和分支條件。
• 提供了一些方法，可以進一步變化代碼，減少整個計算中關鍵路徑上的操作數量。

循環展開對程序性能的影響

我們直接以實際代碼向大家展示循環展開的作用，首先看未經過循環展開優化的代碼：

#include <iostream>
#include <chrono>

int main(){
 auto start = std::chrono::system_clock::now();
 int sum = 0;
 int count = 10000;
 //循環10000次累加
 for(int i = 0;i < count;i++){ 
 sum += i;
 }
 auto end = std::chrono::system_clock::now();
 std::chrono::duration<double> dura = end - start;
 std::cout <<"共耗時："<< dura.count() << "s" << std::endl;
 return 0;
}

類似于上面的這段代碼是我們平常工作中經常見到的，函數目的就是求得1+2+……+9998+9999的累加和，每次循環把i累加到sum變量上，循環次數一共10000次。代碼運行結果如下：

可以看出代碼運行耗時0.0000279秒。

下面我們將循環展開一次，即把上述代碼中的循環改為如下代碼：

for(int i = 0;i < count;i += 2){
 sum += i;
 sum += i+1;
}

即每次循環將i和i+1一起累加到sum變量上，這樣可以把循環次數從10000次降低到5000次，由于CPU的高度流水線化，連續兩個加法指令增加耗時很低，所以此版本代碼可以一定程度上提高程序運行速度，運行結果如下：

代碼運行耗時0.0000159秒，相較于未優化代碼速度快了將近一倍。

當然，我們可以繼續增加循環展開次數以進一步提高程序運行速度，但是這個增加循環展開次數也是有限度的，當達到了CPU的最高吞吐量之后，繼續增加循環展開次數是沒有意義的。

上述循環展開后的代碼依然有進一步優化的空間，那就是消除連續指令的相關性，以達到指令級并行，我們可以看到循環展開后的代碼，循環體中有兩條語句：sum += i 和 sum += i+1，第二條語句sum += i+1依賴于第一條命來sum += i的執行結果，所以這兩條語句只能依次執行，限制了CPU進一步提高性能的可能。如果我們將循環體改為如下代碼：

int sum1=0,sum2=0;
for(int i=0;i < count;i+=2){
 sum1 += i;
 sum2 += i+1;
}
sum = sum1 + sum2;

我們新建了兩個變量sum1和sum2用于存儲循環展開時兩個累加語句的累加結果，最后在循環體外將兩部分結果相加得到最終結果。該代碼中兩個累加語句之間是互不相關的，所以CPU可以并行執行這兩條指令，以達到性能的進一步提高。下面是運行結果：

代碼運行耗時0.0000073秒，相較于只進行循環展開的代碼速度又快了將近一倍。

總結

由上面三段代碼的運行速度對比可以看出，循環展開對程序性能有著很重要的影響，可以減少分支預測錯誤次數，增加取消數據相關進一步利用并行執行提高速度的機會。但是，并不建議大家進行手動的循環展開，在代碼中進行循環展開會導致程序的可讀性下降，代碼膨脹。為了直觀感受循環展開對性能的影響，上述代碼運行結果均是在不開編譯器優化的情況下進行的測試，其實在我們開啟了編譯器優化的時候，編譯器會自動對我們的循環代碼進行循環展開，讓我們可以在保持了代碼可讀性的同時，又能享受到循環展開對我們程序性能的提高。

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