有效处理 C/C++ 中调用一百万次的函数

Question

对于编程问题，我是 C 和 stackoverflow 的新手。我已经对我的问题进行了一些谷歌搜索，但我无法直接找到解决这个问题的信息。但是，我也可能对这个主题太陌生，以至于我不确定哪些术语甚至适合搜索。如果这是一个常见问题，我深表歉意。

我的程序正在执行科学计算。特别是，它主要涉及获取给定的坐标和给定的力，并根据一系列计算更新所有内容。为了获得结果，我将所有事情都运行了大约一百万次，所以我关心的是让它尽可能高效。特别是我发现我有 3 种类型的变量

1. 恒定不变的变量
2. 从迭代到迭代的临时变量 并且只是在计算中用作占位符
3. 每次迭代都会更改然后执行的数据 到下一个

声明这些不同变量的最有效方法是什么？在我的天真中，我很想将所有东西都声明为全局变量，我很确定这对于 (1) 和 (3) 类型的变量是有意义的。但是对于类型（2）我不确定。如果我调用一个函数一百万次，并且每次调用它都会初始化一个临时变量，这是否比我有一个全局临时值而浪费更多时间？

Answer 1

如果你在循环中调用你的函数，粗略地说，将变量存储为全局或本地不应该改变任何东西。实际上，汇编代码很可能是相同的 (sub esp, SomeValue) ；唯一的区别是 SomeValue 可能会有所改变；这不会改变任何延迟；到时钟周期精度。

实际上，将变量设置为全局变量甚至会使您的程序运行速度变慢，因为编译器将无法理解您的代码并对其进行优化。

因此，如果您在循环中调用您的函数，请不要为全局与本地而烦恼，只需采用通常的方式：尽可能将变量设为本地。

但是，如果你的百万调用是递归调用，那么内存是稀缺的，你应该尽力去保存它，然后应该走全局的方式。

无论如何，您很可能有更好的优化等待在您的代码中进行！

Answer 2

如果我调用一个函数一百万次并且每次调用它 初始化一个临时变量，这是否比我浪费更多时间 有一个它改变的全局温度值吗？

不，甚至可能情况正好相反。在堆栈上创建一个临时变量。

分配堆栈变量没有性能成本
调用函数时，无论如何都必须移动堆栈指针，以便为函数参数和其他东西腾出空间。现在如果必须分配一个额外的变量，所有要做的就是增加堆栈指针的移动量。
与 Java 不同，您可以不初始化变量，并在需要时直接存储最终值，这样就没有初始化成本。

Locality of reference
当您使用堆栈变量时，它也更好。这意味着函数使用的值彼此更接近，这有助于处理器更有效地缓存数据。缓存通常以 64 字节的行组织，这意味着彼此相邻的两个 32 位值比两个分散的值更有效。
发生分页时，空间局部性尤其重要，因为从永久存储中加载页面具有巨大的性能成本。因此，最好将特定时间所需的所有变量都存储在一起，以便它们适合一页。

Answer 3

类型 1 变量应该是全局变量

const double ABC = 1.234567;

const 对性能很重要。

类型 3 不能是全局的。它们需要在每个函数调用中传递

void f1(double x)
{
    x = x + ABC;
    f2(x);
}

如果您需要 f2 来更改 x 并获取更改后的值，请改用引用：

void f1(double& x)
{
    x = x + ABC;
    f2(x);
}

类型 2 应该只是函数中的局部：

void f1(double x)
{
    double y;
    x = x + ABC;
    f2(x);
}

请务必检查编译器优化标志以获得最佳性能。

Answer 4

您在谈论 C 语言中两个不同的概念：范围和范围。

• Extent 与变量将持续的时间范围有关。全局变量始终具有全局范围，这意味着它们从程序开始一直持续到程序结束，在整个程序生命周期中从赋值到赋值都保持其值。局部变量通常具有局部范围，这意味着变量在其定义时被创建/分配，并且它的生命周期延伸到包含它的内部块的末尾。通常，编译器根据块的本地存储以及参数的大小和数量（在功能块的情况下），将每个函数/块入口调用的堆栈指针寄存器提前一个固定量，因此添加局部变量只会改变要添加到 SP 寄存器的常量值不会导致额外的执行损失。这也是局部变量在进入时没有被初始化的原因。

• 范围与变量的可见性有关。每个对象都有三种不同的作用域： 全局作用域 表示变量可以在程序中的任何地方访问； 文件范围表示变量仅在定义它的文件模块内可见，而在其他地方不可见，并且； 局部范围 表示变量从声明点到块结束都是可见的。对于全局范围，您始终可以使用其名称来引用它。相反，局部作用域意味着变量名仅在包含其声明的内部块中可用（即定义对象的内部对 { 和 }）

当你使用static这个词时，它意味着两件事，这取决于你在哪里使用它：

• 如果您在任何块之外使用它，static 表示 文件范围（与 extern 表示全局程序范围相反）默认情况下，变量（和数据）是文件范围和函数（和代码）是全局范围的（对于函数，您必须使用 static 使它们仅在声明文件中可见）。对于文件范围，变量仅在声明它的文件内可见，但它也具有全局范围。在任何块之外（在文件级别）定义的所有对象都具有全局范围（它们从程序开始到程序结束都存在）
• 如果在块内使用static，则表示该变量具有局部范围但具有全局范围。如果在块内使用extern，则表示对象是这样定义的，但在其他地方（它具有全局范围和范围，我想在本地使用它）

为了完成，extern 的出现并没有让编译器分配一个变量，它只是通知它有一个变量（在别处定义，具有全局范围和范围）具有这种类型和名称并且可以从这里开始，本地访问（或文件范围，如果在任何块之外使用）您必须在某处（在其他文件或此文件中）放置一个声明，而不使用单词 extern 以使编译器为它。对于程序全局变量，您必须在它实际驻留的文件中定义它两次（一个带有 extern 关键字和一个没有它的定义 --- 可能还有一个初始化程序），并在所有其他文件中声明为 extern将使用它。

编辑

对于在程序生命周期内不改变的变量，最好将它们定义为const。这样，您允许编译器记住常量值并使用它的值，而不是在程序中到处引用它。将全局值设为const 有很大的好处。 consts 甚至没有分配内存，如果您从不通过引用使用它们（通过 & 运算符）。

Answer 5

首先，不要去猜测问题是什么（这就是你正在做的事情:)

其次，让正在运行的程序告诉你什么需要时间。 在您的评论中，您说这需要很多小时。 我使用的方法是在调试器下运行它，中断它，看看它在做什么。 如果您多次这样做，您会发现中断被强烈吸引到问题上。

使用编译器优化关闭来做到这一点。当你尽可能快地完成它时，然后打开编译器的优化器。 如果你有一些愚蠢的东西需要清理，优化器不会帮你清理掉。这只会让它更难找到。

This post 展示了我在科学软件中使用它的一些经验。 它还给出了该方法为何如此有效的统计依据。

我过去发现的大部分时间都花在了这些时间上 a) 使用相同或几乎相同的参数一遍又一遍地调用 exp 或 log 之类的函数，b) 调用诸如矩阵乘法或 Cholesky 变换，可以用专门的例程代替。

Answer 6

如果我调用一个函数一百万次并且每次调用它 初始化一个临时变量，这是否比我浪费更多时间 有一个它改变的全局温度值吗？

不一定，因为优化编译器可以将这些变量直接放入寄存器，而不是使用堆栈。 也可以将全局温度值存储在寄存器中，如下所示。在某些架构中，例如具有大量寄存器的 x64，可以提示编译器将常量和其他变量永久分配给某些寄存器。

足够小的数据可以类似地放在 xmm0..xmm7 上。

register long int a __asm__("r14");

int foo(int b)
{
    a = b * 2 + a;
    return a;
}

int bar(int c)
{
    a = a * 5 - c;
    return a;
}

int init(int i) { a = i; }

---

// in a separate file
int main(){
  init(3);
  printf("%d %d\n", foo(1), bar(2));
}

反汇编显示，“全局”变量确实存储在一个寄存器中，在main中只分配了一次

foo:  leal (%rdi,%rdi), %eax
      cltq
      addq %r14, %rax
      movq %rax, %r14
      ret

bar:  leaq (%r14,%r14,2), %rax
      movslq %edi, %rdi
      subq %rdi, %rax
      movq %rax, %r14
      ret

main:  ...
      movl $3, %r14d