简单数学函数的基准测试：为什么 Fortran 和 Julia 比 C 更快

Question

在某些情况下，Fortran 可以比 C 更快，例如在别名方面，我经常听说它比 C 做更好的自动矢量化（请参阅 here 以获得一些很好的讨论）。

但是，对于简单的函数，例如计算斐波那契数和某个复数的 Mandelbrot，使用直接的解决方案，没有任何技巧和额外的提示/关键字给编译器，我希望它们确实执行相同的操作。

C 实现：

int fib(int n) {
    return n < 2 ? n : fib(n-1) + fib(n-2);
}

int mandel(double complex z) {
    int maxiter = 80;
    double complex c = z;
    for (int n=0; n<maxiter; ++n) {
        if (cabs(z) > 2.0) {
            return n;
        }
        z = z*z+c;
    }
    return maxiter;
}

Fortran 实现：

integer, parameter :: dp=kind(0.d0)          ! double precision

integer recursive function fib(n) result(r)
integer, intent(in) :: n
if (n < 2) then
    r = n
else
    r = fib(n-1) + fib(n-2)
end if
end function

integer function mandel(z0) result(r)
complex(dp), intent(in) :: z0
complex(dp) :: c, z
integer :: n, maxiter
maxiter = 80
z = z0
c = z0
do n = 1, maxiter
    if (abs(z) > 2) then
        r = n-1
        return
    end if
    z = z**2 + c
end do
r = maxiter
end function

Julia 实现：

fib(n) = n < 2 ? n : fib(n-1) + fib(n-2)

function mandel(z)
    c = z
    maxiter = 80
    for n = 1:maxiter
        if abs(z) > 2
            return n-1
        end
        z = z^2 + c
    end
    return maxiter
end

（包含其他基准功能的完整代码可以在here找到。）

根据Julia homepage，Julia 和 Fortran（使用 -O3）在这两个函数上的性能优于 C（使用 -O3）。

怎么可能？

Answer 1

老实说，我不会太认真地对待这些差异。不同的 C 编译器也会给出不同的结果。尝试使用 GCC 和 Clang 运行 C 微基准测试，您将获得几乎与 C 与 Fortran 相同的差异。为什么 GCC 有时比 Clang 快，有时又不是？他们只是以不同的方式进行不同的优化和代码生成。不同硬件的相对性能也不同，因为它可能取决于寄存器的确切数量、缓存大小、超标量吞吐量的程度、各种指令的相对速度等。

奇怪的是，对于 fib 基准测试，Fortran 如此要快得多，所以如果有人想出来并在这里发布答案，我会很高兴地支持它，但 ≤ 15% 的差异在曼德尔和其他基准上并不是那么了不起。这些基准对我来说最神秘的事情是为什么 Fortran 在整数解析方面如此缓慢。我怀疑这是因为该代码正在做一些愚蠢的事情，但我不是 Fortran 编码器，所以我不确定应该改进什么。如果有人阅读这篇文章是 Fortran 专业人士并想看看 this code，将不胜感激。我怀疑 Fortran 比 C 慢 5 倍是错误的。

需要注意的一点是，在整理这些基准测试结果时，我们拒绝为零的时间，以避免计算编译器只是对整个计算进行常量折叠的情况。在某些优化级别上，这正是 C 和 Fortran 编译器所做的，并且很难强迫他们不这样做，除非使用较低的优化级别。如果有人想弄清楚如何强制编译器不要不断折叠这些结果，同时仍然完全优化基准代码，那将是一个受欢迎的贡献。 （一种可能的方法是使用完全优化将基准函数编译为共享库，然后在关闭链接时优化的情况下将其链接到主程序。这很棘手，但它可能会起作用。）

归根结底，过于担心确切的微基准数字会错过更大的图景。这些基准测试的重点在于，某些语言具有可靠快速的标准实现——例如 C、Fortran、Julia 和 Go——而其他语言则没有。在慢速语言中，您有时不得不求助于使用不同的语言来获得所需的性能，而在可靠快速的语言中，您永远不必这样做。这就是所有这些。快速语言的确切相对表现是一场军备竞赛：一种语言有时可能会领先，但其他语言总是会紧随其后——关键是它们完全在竞争中。