Le remplacement d'un compteur de boucle de 32 bits par un compteur de boucle de 64 bits introduit des déviations de performance folles

je cherchais le moyen le plus rapide de popcount grands tableaux de données. J'ai rencontré un très bizarre effet: Changer la variable de boucle de unsigned à uint64_t fait la baisse de performance de 50% sur mon PC.

La Référence

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <x86intrin.h>

int main(int argc, char* argv[]) {

    using namespace std;
    if (argc != 2) {
       cerr << "usage: array_size in MB" << endl;
       return -1;
    }

    uint64_t size = atol(argv[1])<<20;
    uint64_t* buffer = new uint64_t[size/8];
    char* charbuffer = reinterpret_cast<char*>(buffer);
    for (unsigned i=0; i<size; ++i)
        charbuffer[i] = rand()%256;

    uint64_t count,duration;
    chrono::time_point<chrono::system_clock> startP,endP;
    {
        startP = chrono::system_clock::now();
        count = 0;
        for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
            // Tight unrolled loop with unsigned
            for (unsigned i=0; i<size/8; i+=4) {
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+1]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+2]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+3]);
            }
        }
        endP = chrono::system_clock::now();
        duration = chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
        cout << "unsigned\t" << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
             << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
    }
    {
        startP = chrono::system_clock::now();
        count=0;
        for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
            // Tight unrolled loop with uint64_t
            for (uint64_t i=0;i<size/8;i+=4) {
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+1]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+2]);
                count += _mm_popcnt_u64(buffer[i+3]);
            }
        }
        endP = chrono::system_clock::now();
        duration = chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
        cout << "uint64_t\t"  << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
             << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
    }

    free(charbuffer);
}

comme vous le voyez, nous créons un tampon de données aléatoires, avec la taille étant x mégaoctets où x est lu à partir de la ligne de commande. Ensuite, nous itérons sur le tampon et utilisons une version déroulante du x86 popcount intrinsèque pour effectuer le popcount. Pour obtenir un résultat plus précis, nous faisons le popcount 10 000 fois. Nous mesurons les temps pour le popcount. Dans le cas supérieur, la variable de boucle interne est unsigned , dans le cas inférieur, la variable de boucle interne est uint64_t . J'ai pensé que cela ne devrait faire aucune différence, mais le contraire est le cas.

(de la folie) résultats

je le compile comme ceci (version g++: Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1):

g++ -O3 -march=native -std=c++11 test.cpp -o test

Voici les résultats de mon Haswell Core i7-4770K CPU @ 3.50 GHz, en cours d'exécution test 1 (so 1 MB random data):

  • non signé 41959360000 0.401554 sec 26.113 GB /s
  • uint64_t 41959360000 0.759822 sec 13.8003 GB /s

comme vous le voyez, le débit de la version uint64_t est seulement la moitié celui de la version unsigned ! Le problème semble être que différents assemblages sont générés, mais pourquoi? Tout d'abord, j'ai pensé à un bug de compilateur, donc j'ai essayé clang++ (Ubuntu Clang version 3.4-1ubuntu3):

clang++ -O3 -march=native -std=c++11 teest.cpp -o test

résultat: test 1

  • non signé 41959360000 0.398293 sec 26.3267 GB /s
  • uint64_t 41959360000 0.680954 sec 15.3986 GB/s

ainsi, il est presque le même résultat et est encore étrange. mais maintenant ça devient super étrange. je remplace la taille du tampon qui a été lu à partir de l'entrée par une constante 1 , donc je change:

uint64_t size = atol(argv[1]) << 20;

à

uint64_t size = 1 << 20;

ainsi, le compilateur connaît maintenant la taille du tampon au moment de la compilation. Peut-être il peut ajouter quelques optimisations! Voici les nombres pour g++ :

  • non signé 41959360000 0.509156 sec 20.5944 GB /s
  • uint64_t 41959360000 0.508673 sec 20.6139 GB/s

maintenant, les deux versions sont tout aussi rapide. Cependant, le unsigned est devenu encore plus lent ! Il est passé de 26 à 20 GB/s , remplaçant ainsi une non-constante par une valeur constante conduisant à une désoptimisation . Sérieusement, je n'ai aucune idée de ce qui se passe ici! Mais maintenant à clang++ avec la nouvelle version:

  • non signé 41959360000 0.677009 sec 15.4884 GB /s
  • un uint64_t 41959360000 0.676909 sec 15.4906 GB /s

attendez, quoi? maintenant, les deux versions sont tombées au lent nombre de 15 Go / s. Ainsi, remplacer une non-constante par une valeur constante conduit même au Code lent dans les deux cas pour Clang!

j'ai demandé à un collègue avec un CPU Ivy Bridge de compiler mon benchmark. Il a obtenu résultats similaires, il ne semble donc pas être Haswell. Parce que deux compilateurs produisent des résultats étranges ici, il ne semble pas non plus être un bogue de compilateur. Nous n'avons pas de processeur AMD ici, donc nous ne pouvons tester qu'avec des informations.

plus de folie, s'il vous plaît!

prendre le premier exemple (celui avec atol(argv[1]) ) et mettre un static avant la variable, i.e.:

static uint64_t size=atol(argv[1])<<20;

Voici mes résultats en g++:

  • non signé 41959360000 0.396728 sec 26.4306 GB /s
  • uint64_t 41959360000 0.509484 sec 20.5811 GB/s

Youpi, encore une autre alternative . Nous avons encore les 26 GO / s rapides avec u32 , mais nous avons réussi à obtenir u64 au moins de la 13 Go/s à la version 20 Go/s! sur le PC de mon collègue, le La version u64 est devenue encore plus rapide que la version u32 , donnant le résultat le plus rapide de tous. malheureusement, cela ne fonctionne que pour g++ , clang++ ne semble pas se soucier de static .

ma question

Pouvez-vous expliquer ces résultats? En particulier:

  • Comment peut-il y avoir une telle différence entre u32 et u64 ?
  • Comment peut remplacement d'une non-constante par un tampon de taille constante déclencheur Code moins optimal ?
  • comment l'insertion du mot-clé static peut-elle accélérer la boucle u64 ? Encore plus rapide que le code original sur l'ordinateur de mon collègue!

je sais que l'optimisation est un territoire délicat, cependant, je n'ai jamais pensé que de tels petits changements peuvent conduire à un 100% de différence dans l'exécution le temps et que de petits facteurs comme une taille de tampon constante peuvent à nouveau mélanger totalement les résultats. Bien sûr, je veux toujours avoir la version capable de popcount 26 GB/s. La seule façon fiable dont je peux penser Est copier coller l'assemblage pour ce cas et utiliser l'assemblage en ligne. C'est la seule façon je peux me débarrasser de compilateurs qui semblent s'énerver sur les petites modifications. Qu'en pensez-vous? Y a-t-il une autre façon d'obtenir le code de façon fiable avec la plus grande performance?

Le Démontage

voici le démontage pour les différents résultats:

26 GB/s version from g++ / u32 / non-const bufsize :

0x400af8:
lea 0x1(%rdx),%eax
popcnt (%rbx,%rax,8),%r9
lea 0x2(%rdx),%edi
popcnt (%rbx,%rcx,8),%rax
lea 0x3(%rdx),%esi
add %r9,%rax
popcnt (%rbx,%rdi,8),%rcx
add "151960920"x4,%edx
add %rcx,%rax
popcnt (%rbx,%rsi,8),%rcx
add %rcx,%rax
mov %edx,%ecx
add %rax,%r14
cmp %rbp,%rcx
jb 0x400af8

13 GB/s version from g++ / u64 / non-const bufsize :

0x400c00:
popcnt 0x8(%rbx,%rdx,8),%rcx
popcnt (%rbx,%rdx,8),%rax
add %rcx,%rax
popcnt 0x10(%rbx,%rdx,8),%rcx
add %rcx,%rax
popcnt 0x18(%rbx,%rdx,8),%rcx
add "151970920"x4,%rdx
add %rcx,%rax
add %rax,%r12
cmp %rbp,%rdx
jb 0x400c00

15 GB/s version from clang++ / u64 / non-const bufsize :

0x400e50:
popcnt (%r15,%rcx,8),%rdx
add %rbx,%rdx
popcnt 0x8(%r15,%rcx,8),%rsi
add %rdx,%rsi
popcnt 0x10(%r15,%rcx,8),%rdx
add %rsi,%rdx
popcnt 0x18(%r15,%rcx,8),%rbx
add %rdx,%rbx
add "151980920"x4,%rcx
cmp %rbp,%rcx
jb 0x400e50

20 GB/s version de g++ / u32&u64 / const bufsize :

0x400a68:
popcnt (%rbx,%rdx,1),%rax
popcnt 0x8(%rbx,%rdx,1),%rcx
add %rax,%rcx
popcnt 0x10(%rbx,%rdx,1),%rax
add %rax,%rcx
popcnt 0x18(%rbx,%rdx,1),%rsi
add "151990920"x20,%rdx
add %rsi,%rcx
add %rcx,%rbp
cmp "151990920"x100000,%rdx
jne 0x400a68

15 GB/s version from clang++ / u32&u64 / const bufsize :

0x400dd0:
popcnt (%r14,%rcx,8),%rdx
add %rbx,%rdx
popcnt 0x8(%r14,%rcx,8),%rsi
add %rdx,%rsi
popcnt 0x10(%r14,%rcx,8),%rdx
add %rsi,%rdx
popcnt 0x18(%r14,%rcx,8),%rbx
add %rdx,%rbx
add "1519100920"x4,%rcx
cmp "1519100920"x20000,%rcx
jb 0x400dd0

fait intéressant, la version la plus rapide (26 GO/s) est aussi la plus longue! Il semble être la seule solution qui utilise lea . Certaines versions utilisent jb pour sauter, d'autres utilisent jne . Mais en dehors de cela, toutes les versions semblent comparables. Je n'ai pas voyez d'où pourrait venir un écart de performance de 100%, mais je ne suis pas trop habile à déchiffrer l'assemblage. La version la plus lente (13 Go/s) semble même très courte et bonne. Quelqu'un peut-il expliquer cela?

leçons apprises

quelle que soit la réponse à cette question, j'ai appris que dans les boucles vraiment chaudes chaque le détail peut avoir de l'importance, même les détails qui ne semblent avoir aucune association avec le code chaud . Je n'ai jamais pensé à quel type utiliser pour une variable de boucle, mais comme vous voyez un tel changement mineur peut faire une 100% différence! Même le type de stockage d'un tampon peut faire une énorme différence, comme nous l'avons vu avec l'insertion du mot-clé static devant la variable de taille! À l'avenir, je testerai toujours Diverses alternatives sur divers compilateurs lors de l'écriture vraiment serré et boucles chaudes qui sont cruciales pour la performance du système.

la chose intéressante est aussi que la différence de performance est encore si élevée bien que j'ai déjà déroulé la boucle quatre fois. Donc, même si vous déroulez, vous pouvez toujours obtenir frappé par de grands écarts. Tout à fait intéressant.

1180
demandé sur einpoklum 2014-08-01 14:33:29
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8 ответов

Faucrit: False Data Dependency (et le compilateur n'en est même pas conscient)

Sur Sandy/Ivy Bridge et Haswell des processeurs, l'instruction:

popcnt  src, dest

semble avoir une fausse dépendance sur le registre de destination dest . Même si l'instruction ne s'écrit qu'à elle, l'instruction attendra jusqu'à ce que dest soit prêt avant l'exécution.

cette dépendance ne tient pas seulement le 4 popcnt s d'une itération de boucle simple. Il peut transporter à travers des itérations de boucle rendant impossible pour le processeur de paralléliser différentes itérations de boucle.

le unsigned vs. uint64_t et les autres modifications n'affectent pas directement le problème. Mais ils influencent l'allocateur de Registre qui attribue les registres aux variables.

Dans votre cas, les vitesses sont un résultat direct de ce qui est collé à la (false) chaîne de dépendances en fonction de ce que l'allocateur de Registre a décidé de faire.

  • 13 GB/ s a une chaîne: popcnt - add - popcnt - popcnt → prochaine itération
  • 15 GB / s a une chaîne: popcnt - add - popcnt - add → prochaine itération
  • 20 GB/ s a une chaîne: popcnt - popcnt → itération suivante
  • 26 GB/ s a une chaîne: popcnt - popcnt → itération suivante

la différence entre 20 GB/s et 26 GB/s semble être un artefact mineur de l'adressage indirect. De toute façon, le processeur commence à frapper d'autres goulots d'étranglement, une fois que vous atteindre cette vitesse.


pour tester ceci, j'ai utilisé l'assemblage en ligne pour contourner le compilateur et obtenir exactement l'assemblage que je veux. J'ai aussi divisé la variable count pour casser toutes les autres dépendances qui peut brouiller les repères.

Voici les résultats:

Sandy Bridge Xeon @ 3.5 GHz: (le code d'essai complet se trouve en bas)

  • GCC 4.6.3: g++ popcnt.cpp -std=c++0x -O3 -save-temps -march=native
  • Ubuntu 12

registres différents: 18.6195 GB /s

.L4:
    movq    (%rbx,%rax,8), %r8
    movq    8(%rbx,%rax,8), %r9
    movq    16(%rbx,%rax,8), %r10
    movq    24(%rbx,%rax,8), %r11
    addq    , %rax

    popcnt %r8, %r8
    add    %r8, %rdx
    popcnt %r9, %r9
    add    %r9, %rcx
    popcnt %r10, %r10
    add    %r10, %rdi
    popcnt %r11, %r11
    add    %r11, %rsi

    cmpq    1072, %rax
    jne .L4

Même Registre: 8.49272 GB / s

.L9:
    movq    (%rbx,%rdx,8), %r9
    movq    8(%rbx,%rdx,8), %r10
    movq    16(%rbx,%rdx,8), %r11
    movq    24(%rbx,%rdx,8), %rbp
    addq    , %rdx

    # This time reuse "rax" for all the popcnts.
    popcnt %r9, %rax
    add    %rax, %rcx
    popcnt %r10, %rax
    add    %rax, %rsi
    popcnt %r11, %rax
    add    %rax, %r8
    popcnt %rbp, %rax
    add    %rax, %rdi

    cmpq    1072, %rdx
    jne .L9

même registre avec chaîne cassée: 17.8869 GB /s

.L14:
    movq    (%rbx,%rdx,8), %r9
    movq    8(%rbx,%rdx,8), %r10
    movq    16(%rbx,%rdx,8), %r11
    movq    24(%rbx,%rdx,8), %rbp
    addq    , %rdx

    # Reuse "rax" for all the popcnts.
    xor    %rax, %rax    # Break the cross-iteration dependency by zeroing "rax".
    popcnt %r9, %rax
    add    %rax, %rcx
    popcnt %r10, %rax
    add    %rax, %rsi
    popcnt %r11, %rax
    add    %rax, %r8
    popcnt %rbp, %rax
    add    %rax, %rdi

    cmpq    1072, %rdx
    jne .L14

qu'est-ce qui a mal tourné avec le compilateur?

il semble que ni GCC ni Visual Studio ne soient au courant que popcnt a une telle fausse dépendance. Néanmoins, ces fausses dépendances ne sont pas rares. C'est juste une question de si le compilateur est conscient de cela.

popcnt n'est pas exactement l'instruction la plus utilisée. Donc ce n'est pas vraiment une surprise qu'un compilateur majeur puisse manquer quelque chose comme ça. Il ne semble pas non plus y avoir de documentation où que ce soit qui mentionne ce problème. Si Intel ne le révèle pas, alors personne dehors ne le saura tant que quelqu'un ne l'aura pas rencontré par hasard.

( mise à Jour: à partir de la version 4.9.2 , GCC est conscient de cette fausse dépendance et génère du code pour la compenser lorsque les optimisations sont activées. Les principaux compilateurs d'autres fournisseurs, y compris Clang, MSVC, et même le propre ICC D'Intel ne sont pas encore au courant de cet erratum microarchitectural et n'émettront pas de code qui le compense.)

pourquoi la CPU a-t-elle une fausse dépendance?

nous ne pouvons que spéculer, mais il est probable Qu'Intel a la même manipulation pour beaucoup d'instructions à deux opérandes. Les instructions courantes comme add , sub prennent deux opérandes qui sont toutes deux entrées. Donc Intel a probablement mis popcnt dans la même catégorie pour garder la conception du processeur simple.

Les processeurs AMD

ne semblent pas avoir cette fausse dépendance.


le code d'essai complet est ci-dessous pour référence:

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <x86intrin.h>

int main(int argc, char* argv[]) {

   using namespace std;
   uint64_t size=1<<20;

   uint64_t* buffer = new uint64_t[size/8];
   char* charbuffer=reinterpret_cast<char*>(buffer);
   for (unsigned i=0;i<size;++i) charbuffer[i]=rand()%256;

   uint64_t count,duration;
   chrono::time_point<chrono::system_clock> startP,endP;
   {
      uint64_t c0 = 0;
      uint64_t c1 = 0;
      uint64_t c2 = 0;
      uint64_t c3 = 0;
      startP = chrono::system_clock::now();
      for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
         for (uint64_t i=0;i<size/8;i+=4) {
            uint64_t r0 = buffer[i + 0];
            uint64_t r1 = buffer[i + 1];
            uint64_t r2 = buffer[i + 2];
            uint64_t r3 = buffer[i + 3];
            __asm__(
                "popcnt %4, %4  \n\t"
                "add %4, %0     \n\t"
                "popcnt %5, %5  \n\t"
                "add %5, %1     \n\t"
                "popcnt %6, %6  \n\t"
                "add %6, %2     \n\t"
                "popcnt %7, %7  \n\t"
                "add %7, %3     \n\t"
                : "+r" (c0), "+r" (c1), "+r" (c2), "+r" (c3)
                : "r"  (r0), "r"  (r1), "r"  (r2), "r"  (r3)
            );
         }
      }
      count = c0 + c1 + c2 + c3;
      endP = chrono::system_clock::now();
      duration=chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
      cout << "No Chain\t" << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
            << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
   }
   {
      uint64_t c0 = 0;
      uint64_t c1 = 0;
      uint64_t c2 = 0;
      uint64_t c3 = 0;
      startP = chrono::system_clock::now();
      for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
         for (uint64_t i=0;i<size/8;i+=4) {
            uint64_t r0 = buffer[i + 0];
            uint64_t r1 = buffer[i + 1];
            uint64_t r2 = buffer[i + 2];
            uint64_t r3 = buffer[i + 3];
            __asm__(
                "popcnt %4, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %0      \n\t"
                "popcnt %5, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %1      \n\t"
                "popcnt %6, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %2      \n\t"
                "popcnt %7, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %3      \n\t"
                : "+r" (c0), "+r" (c1), "+r" (c2), "+r" (c3)
                : "r"  (r0), "r"  (r1), "r"  (r2), "r"  (r3)
                : "rax"
            );
         }
      }
      count = c0 + c1 + c2 + c3;
      endP = chrono::system_clock::now();
      duration=chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
      cout << "Chain 4   \t"  << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
            << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
   }
   {
      uint64_t c0 = 0;
      uint64_t c1 = 0;
      uint64_t c2 = 0;
      uint64_t c3 = 0;
      startP = chrono::system_clock::now();
      for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
         for (uint64_t i=0;i<size/8;i+=4) {
            uint64_t r0 = buffer[i + 0];
            uint64_t r1 = buffer[i + 1];
            uint64_t r2 = buffer[i + 2];
            uint64_t r3 = buffer[i + 3];
            __asm__(
                "xor %%rax, %%rax   \n\t"   // <--- Break the chain.
                "popcnt %4, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %0      \n\t"
                "popcnt %5, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %1      \n\t"
                "popcnt %6, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %2      \n\t"
                "popcnt %7, %%rax   \n\t"
                "add %%rax, %3      \n\t"
                : "+r" (c0), "+r" (c1), "+r" (c2), "+r" (c3)
                : "r"  (r0), "r"  (r1), "r"  (r2), "r"  (r3)
                : "rax"
            );
         }
      }
      count = c0 + c1 + c2 + c3;
      endP = chrono::system_clock::now();
      duration=chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
      cout << "Broken Chain\t"  << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
            << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
   }

   free(charbuffer);
}

Une référence tout aussi intéressante peut être trouvée ici: http://pastebin.com/kbzgL8si

Cette valeur de référence varie le nombre de popcnt qui font partie de la chaîne de dépendance (fausse).

False Chain 0:  41959360000 0.57748 sec     18.1578 GB/s
False Chain 1:  41959360000 0.585398 sec    17.9122 GB/s
False Chain 2:  41959360000 0.645483 sec    16.2448 GB/s
False Chain 3:  41959360000 0.929718 sec    11.2784 GB/s
False Chain 4:  41959360000 1.23572 sec     8.48557 GB/s
1342
répondu Mysticial 2017-01-18 20:37:16
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j'ai codé un programme C équivalent à expérimenter, et je peux confirmer ce comportement étrange. De plus, gcc croit que l'entier 64 bits (qui devrait probablement être un size_t de toute façon...) afin d'être mieux, que l'utilisation de uint_fast32_t les causes de gcc pour utiliser une version 64 bits de uint.



J'ai fait un peu de mucking autour de l'Assemblée:

Il suffit de prendre la version 32 bits, remplacer toutes les instructions/registres 32 bits par le Version 64 bits dans la boucle popcount interne du programme. Observation: le code est aussi rapide que la version 32 bits!



C'est évidemment un hack, car la taille de la variable n'est pas vraiment 64 bits, car d'autres parties du programme utilisent encore la version 32 bits, mais aussi longtemps que la boucle popcount interne domine la performance, c'est un bon début.



J'ai ensuite copié la boucle intérieure code à partir de la version 32 bits du programme, a piraté jusqu'à 64 bits, jouait avec les registres pour faire un remplacement de la boucle interne de la version 64 bits. ce code fonctionne aussi vite que la version 32 bits.



Ma conclusion est qu'il s'agit d'une mauvaise planification d'instruction par le compilateur, et non d'un avantage réel de vitesse/latence des instructions 32 bits.



(Mise En Garde: I montage piraté, il aurait pu casser quelque chose sans s'en apercevoir. Je ne le pense pas.)

47
répondu EOF 2014-08-02 02:55:56
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ce n'est pas une réponse, mais il est difficile de lire si je mets les résultats dans le commentaire.

j'obtiens ces résultats avec un Mac Pro ( Westmere 6-Core Xeon 3.33 GHz). Je l'ai compilé avec clang -O3 -msse4 -lstdc++ a.cpp -o a (-O2 obtenir le même résultat).

clang avec uint64_t size=atol(argv[1])<<20;

unsigned    41950110000 0.811198 sec    12.9263 GB/s
uint64_t    41950110000 0.622884 sec    16.8342 GB/s

clang avec uint64_t size=1<<20;

unsigned    41950110000 0.623406 sec    16.8201 GB/s
uint64_t    41950110000 0.623685 sec    16.8126 GB/s

j'ai aussi essayé de:

  1. Inverser l'ordre de test, le résultat est le même donc il exclut le facteur de cache.
  2. ont le for au verso: for (uint64_t i=size/8;i>0;i-=4) . Cela donne le même résultat et prouve que la compilation est assez intelligente pour ne pas diviser la taille par 8 à chaque itération (comme prévu).

voici ma supposition sauvage:

le facteur de vitesse est en trois parties:

  • code cache: uint64_t version a une plus grande taille de code, mais cela n'a pas d'effet sur mon CPU Xeon. Cela rend la version 64 bits plus lente.

  • Instructions utilisées. Notez non seulement le nombre de boucles, mais le tampon est accessible avec un index de 32 bits et 64 bits sur les deux versions. L'accès à un pointeur avec un offset 64 bits demande un registre et une adresse 64 bits dédiés, alors que vous pouvez utiliser immediate for a 32-bits de décalage. Cela pourrait rendre la version 32 bits plus rapide.

  • Les Instructions
  • ne sont émises que sur la compilation 64 bits (c'est-à-dire préfetch). Cela rend 64-bit plus rapide.

les trois facteurs ensemble concordent avec les résultats apparemment contradictoires observés.

24
répondu Non-maskable Interrupt 2014-08-04 13:57:49
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Je ne peux pas donner une réponse qui fasse autorité, mais donner un aperçu d'une cause probable. cette référence montre assez clairement que pour les instructions dans le corps de votre boucle il y a un rapport 3:1 entre la latence et le débit. Il montre également les effets d'une expédition multiple. Puisqu'il y a (donner ou prendre) trois unités entières dans les processeurs x86 modernes, il est généralement possible d'envoyer trois instructions par cycle.

donc entre le pic les performances de pipeline et de répartition multiple et la défaillance de ces mécanismes, nous avons un facteur de six dans la performance. Il est assez bien connu que la complexité du jeu d'instructions x86 le rend assez facile pour cassure bizarre de se produire. Le document ci-dessus a un grand exemple:

la performance du Pentium 4 pour les équipes de droite 64 bits est vraiment médiocre. Le poste de gauche de 64 bits ainsi que tous les postes de 32 bits ont des performances acceptables. Il semble que le chemin de données les 32 bits supérieurs aux 32 bits inférieurs de L'ALU ne sont pas bien conçus.

j'ai personnellement rencontré un cas étrange où une boucle chaude courait considérablement plus lentement sur un noyau spécifique d'une puce à quatre noyaux (AMD si je me souviens). Nous avons en fait obtenu de meilleures performances sur une carte-réduire le calcul en éteignant ce noyau.

voici ma supposition est la prétention pour les unités entières: que le popcnt , compteur de boucle, et les calculs d'adresse peuvent juste exécuter à pleine vitesse avec le compteur 32 bits large, mais le compteur 64 bits provoque des conflits et des décrochages de pipeline. Comme il n'y a qu'environ 12 cycles au total, potentiellement 4 cycles avec régulation multiple, par exécution de corps de boucle, un seul décrochage pourrait raisonnablement affecter le temps d'exécution d'un facteur de 2.

le changement induit par l'utilisation d'une variable statique, qui, je suppose, ne provoque qu'un léger réordonnement des instructions, est un autre indice que le code 32 bits est à un certain point de basculement pour affirmation.

je sais que ce n'est pas une analyse rigoureuse, mais est une explication plausible.

10
répondu Gene 2014-08-04 19:18:42
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j'ai essayé avec Visual Studio 2013 Express , en utilisant un pointeur au lieu d'un index, ce qui a accéléré le processus un peu. Je soupçonne que c'est parce que l'adressage est compensée + registre, au lieu de décalage + registre + (inscrire<<3). Le code C++.

   uint64_t* bfrend = buffer+(size/8);
   uint64_t* bfrptr;

// ...

   {
      startP = chrono::system_clock::now();
      count = 0;
      for (unsigned k = 0; k < 10000; k++){
         // Tight unrolled loop with uint64_t
         for (bfrptr = buffer; bfrptr < bfrend;){
            count += __popcnt64(*bfrptr++);
            count += __popcnt64(*bfrptr++);
            count += __popcnt64(*bfrptr++);
            count += __popcnt64(*bfrptr++);
         }
      }
      endP = chrono::system_clock::now();
      duration = chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(endP-startP).count();
      cout << "uint64_t\t"  << count << '\t' << (duration/1.0E9) << " sec \t"
           << (10000.0*size)/(duration) << " GB/s" << endl;
   }

code d'assemblage: r10 = bfrptr, r15 = bfrend, rsi = count, RDI = buffer, r13 =k:

[email protected]:
        mov     r10, rdi
        cmp     rdi, r15
        jae     SHORT [email protected]
        npad    4
[email protected]:
        mov     rax, QWORD PTR [r10+24]
        mov     rcx, QWORD PTR [r10+16]
        mov     r8, QWORD PTR [r10+8]
        mov     r9, QWORD PTR [r10]
        popcnt  rdx, rax
        popcnt  rax, rcx
        add     rdx, rax
        popcnt  rax, r8
        add     r10, 32
        add     rdx, rax
        popcnt  rax, r9
        add     rsi, rax
        add     rsi, rdx
        cmp     r10, r15
        jb      SHORT [email protected]
[email protected]:
        dec     r13
        jne     SHORT [email protected]
10
répondu rcgldr 2017-03-11 04:04:46
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avez-vous essayé de passer -funroll-loops -fprefetch-loop-arrays à GCC?

, j'obtiens les résultats suivants avec ces optimisations supplémentaires:

[1829] /tmp/so_25078285 $ cat /proc/cpuinfo |grep CPU|head -n1
model name      : Intel(R) Core(TM) i3-3225 CPU @ 3.30GHz
[1829] /tmp/so_25078285 $ g++ --version|head -n1
g++ (Ubuntu/Linaro 4.7.3-1ubuntu1) 4.7.3

[1829] /tmp/so_25078285 $ g++ -O3 -march=native -std=c++11 test.cpp -o test_o3
[1829] /tmp/so_25078285 $ g++ -O3 -march=native -funroll-loops -fprefetch-loop-arrays -std=c++11     test.cpp -o test_o3_unroll_loops__and__prefetch_loop_arrays

[1829] /tmp/so_25078285 $ ./test_o3 1
unsigned        41959360000     0.595 sec       17.6231 GB/s
uint64_t        41959360000     0.898626 sec    11.6687 GB/s

[1829] /tmp/so_25078285 $ ./test_o3_unroll_loops__and__prefetch_loop_arrays 1
unsigned        41959360000     0.618222 sec    16.9612 GB/s
uint64_t        41959360000     0.407304 sec    25.7443 GB/s
9
répondu Dangelov 2014-09-08 02:47:44
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avez-vous essayé de déplacer l'étape de Réduction en dehors de la boucle? Maintenant vous avez une dépendance de données, ce n'est pas vraiment nécessaire.

, Essayez:

  uint64_t subset_counts[4] = {};
  for( unsigned k = 0; k < 10000; k++){
     // Tight unrolled loop with unsigned
     unsigned i=0;
     while (i < size/8) {
        subset_counts[0] += _mm_popcnt_u64(buffer[i]);
        subset_counts[1] += _mm_popcnt_u64(buffer[i+1]);
        subset_counts[2] += _mm_popcnt_u64(buffer[i+2]);
        subset_counts[3] += _mm_popcnt_u64(buffer[i+3]);
        i += 4;
     }
  }
  count = subset_counts[0] + subset_counts[1] + subset_counts[2] + subset_counts[3];

vous avez aussi quelques aliasing bizarres en cours, que je ne suis pas sûr de respecter les règles d'aliasing strictes.

7
répondu Ben Voigt 2014-08-01 22:33:23
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TL; DR: utiliser __builtin intrinsics à la place.

I was able to make gcc 4.8.4 (and even 4.7.3 on gcc.godbolt.org) générez le code optimal pour cela en utilisant __builtin_popcountll qui utilise la même instruction d'assemblage, mais n'a pas ce bug de fausse dépendance.

Je ne suis pas sûr à 100% de mon code de benchmarking, mais la sortie objdump semble partager mes vues. J'utilise quelques autres trucs ( ++i vs i++ ) pour faire le compilateur déroulez boucle pour moi sans aucune instruction movl (comportement étrange, je dois dire).

Résultats:

Count: 20318230000  Elapsed: 0.411156 seconds   Speed: 25.503118 GB/s

code de référence:

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

uint64_t builtin_popcnt(const uint64_t* buf, size_t len){
  uint64_t cnt = 0;
  for(size_t i = 0; i < len; ++i){
    cnt += __builtin_popcountll(buf[i]);
  }
  return cnt;
}

int main(int argc, char** argv){
  if(argc != 2){
    printf("Usage: %s <buffer size in MB>\n", argv[0]);
    return -1;
  }
  uint64_t size = atol(argv[1]) << 20;
  uint64_t* buffer = (uint64_t*)malloc((size/8)*sizeof(*buffer));

  // Spoil copy-on-write memory allocation on *nix
  for (size_t i = 0; i < (size / 8); i++) {
    buffer[i] = random();
  }
  uint64_t count = 0;
  clock_t tic = clock();
  for(size_t i = 0; i < 10000; ++i){
    count += builtin_popcnt(buffer, size/8);
  }
  clock_t toc = clock();
  printf("Count: %lu\tElapsed: %f seconds\tSpeed: %f GB/s\n", count, (double)(toc - tic) / CLOCKS_PER_SEC, ((10000.0*size)/(((double)(toc - tic)*1e+9) / CLOCKS_PER_SEC)));
  return 0;
}

Compiler options:

gcc --std=gnu99 -mpopcnt -O3 -funroll-loops -march=native bench.c -o bench

version GCC:

gcc (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.1) 4.8.4

le noyau Linux version:

3.19.0-58-generic

informations CPU:

processor   : 0
vendor_id   : GenuineIntel
cpu family  : 6
model       : 70
model name  : Intel(R) Core(TM) i7-4870HQ CPU @ 2.50 GHz
stepping    : 1
microcode   : 0xf
cpu MHz     : 2494.226
cache size  : 6144 KB
physical id : 0
siblings    : 1
core id     : 0
cpu cores   : 1
apicid      : 0
initial apicid  : 0
fpu     : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level : 13
wp      : yes
flags       : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx rdtscp lm constant_tsc nopl xtopology nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm arat pln pts dtherm fsgsbase tsc_adjust bmi1 hle avx2 smep bmi2 invpcid xsaveopt
bugs        :
bogomips    : 4988.45
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 36 bits physical, 48 bits virtual
power management:
6
répondu assp1r1n3 2017-03-11 04:11:51
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