为什么我的空循环在 Intel Skylake CPU 上作为函数调用时运行速度是原来的两倍?

2024-05-10

我正在运行一些测试来比较 C 和 Java,并遇到了一些有趣的事情。在 main 调用的函数中(而不是在 main 本身中)运行具有优化级别 1 (-O1) 的完全相同的基准代码,导致性能大约翻倍。我正在打印 test_t 的大小,以毫无疑问地验证代码是否已编译为 x64。

我将可执行文件发送给运行 i7-7700HQ 的朋友并得到了类似的结果。我运行的是 i7-6700。


这是较慢的代码:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdint.h>

int main() {
    printf("Size = %I64u\n", sizeof(size_t));
    int start = clock();
    for(int64_t i = 0; i < 10000000000L; i++) {
        
    }
    printf("%ld\n", clock() - start);
    return 0;
}

而且速度更快:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdint.h>

void test() {
    printf("Size = %I64u\n", sizeof(size_t));
    int start = clock();
    for(int64_t i = 0; i < 10000000000L; i++) {
        
    }
    printf("%ld\n", clock() - start);
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

我还将提供汇编代码供您深入研究。我不懂装配。 慢点:

    .file   "dummy.c"
    .text
    .def    __main; .scl    2;  .type   32; .endef
    .section .rdata,"dr"
.LC0:
    .ascii "Size = %I64u\12\0"
.LC1:
    .ascii "%ld\12\0"
    .text
    .globl  main
    .def    main;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .seh_proc   main
main:
    pushq   %rbx
    .seh_pushreg    %rbx
    subq    $32, %rsp
    .seh_stackalloc 32
    .seh_endprologue
    call    __main
    movl    $8, %edx
    leaq    .LC0(%rip), %rcx
    call    printf
    call    clock
    movl    %eax, %ebx
    movabsq $10000000000, %rax
.L2:
    subq    $1, %rax
    jne .L2
    call    clock
    subl    %ebx, %eax
    movl    %eax, %edx
    leaq    .LC1(%rip), %rcx
    call    printf
    movl    $0, %eax
    addq    $32, %rsp
    popq    %rbx
    ret
    .seh_endproc
    .ident  "GCC: (x86_64-posix-seh-rev0, Built by MinGW-W64 project) 8.1.0"
    .def    printf; .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    clock;  .scl    2;  .type   32; .endef

Faster:

    .file   "dummy.c"
    .text
    .section .rdata,"dr"
.LC0:
    .ascii "Size = %I64u\12\0"
.LC1:
    .ascii "%ld\12\0"
    .text
    .globl  test
    .def    test;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .seh_proc   test
test:
    pushq   %rbx
    .seh_pushreg    %rbx
    subq    $32, %rsp
    .seh_stackalloc 32
    .seh_endprologue
    movl    $8, %edx
    leaq    .LC0(%rip), %rcx
    call    printf
    call    clock
    movl    %eax, %ebx
    movabsq $10000000000, %rax
.L2:
    subq    $1, %rax
    jne .L2
    call    clock
    subl    %ebx, %eax
    movl    %eax, %edx
    leaq    .LC1(%rip), %rcx
    call    printf
    nop
    addq    $32, %rsp
    popq    %rbx
    ret
    .seh_endproc
    .def    __main; .scl    2;  .type   32; .endef
    .globl  main
    .def    main;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .seh_proc   main
main:
    subq    $40, %rsp
    .seh_stackalloc 40
    .seh_endprologue
    call    __main
    call    test
    movl    $0, %eax
    addq    $40, %rsp
    ret
    .seh_endproc
    .ident  "GCC: (x86_64-posix-seh-rev0, Built by MinGW-W64 project) 8.1.0"
    .def    printf; .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    clock;  .scl    2;  .type   32; .endef

这是我的编译批处理脚本:

@echo off
set /p file= File to compile: 
del compiled.exe
gcc -Wall -Wextra -std=c17 -O1 -o compiled.exe %file%.c
compiled.exe
PAUSE

对于编译到汇编:

@echo off
set /p file= File to compile: 
del %file%.s
gcc -S -Wall -Wextra -std=c17 -O1 %file%.c
PAUSE

慢速版本:

请注意,sub rax, 1 \ jne一对去对面的边界..80(这是 32 字节边界)。这是文中提到的案例之一英特尔关于此问题的文档 https://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/processors/mitigations-jump-conditional-code-erratum.pdf即如下图所示:

所以这个操作/分支对is受到影响JCC 勘误的修复 https://stackoverflow.com/q/62305998/555045(这将导致它不被缓存在微指令缓存中)。我不确定这是否是原因,还有其他因素在起作用,但这是一件事。

在快速版本中,分支不会“触及”32 字节边界,因此不会受到影响。

可能还有其他影响。仍然由于跨越 32 字节边界,在慢速情况下,循环分布在 µop 缓存中的 2 个块中,即使没有修复 JCC 勘误表,如果循环无法从 Loop 执行,则可能导致每次迭代运行 2 个周期流检测器(在某些处理器上通过其他勘误的其他修复程序 SKL150 禁用)。参见例如这个答案循环性能 https://stackoverflow.com/a/39940932/555045.

为了解决各种评论说他们无法重现这一点,是的,有多种可能发生的方式:

  • 无论哪种影响导致了经济放缓,它都可能是由准确放置操作/分支对跨越 32 字节边界,这纯粹是偶然发生的。从源代码编译不太可能重现相同的情况,除非您使用与原始发布者使用的相同的编译器和相同的设置。
  • 即使使用相同的二进制文件,无论是哪个效果造成的,奇怪的效果只会发生在特定的处理器上。
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