为什么在此代码中使用按位运算符进行加法比算术加法要慢得多答案

【问题标题】：Why addition using bitwise operators in this code very slower than arithmetic addition为什么在此代码中使用按位运算符进行加法比算术加法要慢得多
【发布时间】：2014-04-20 16:39:12
【问题描述】：

我尝试将算术加法与我编写的使用按位运算的函数进行比较 - 发现后者几乎 10x 慢。造成这种速度差异的原因是什么？由于我在循环中添加了相同的数字，编译器是否在第一种情况下将其重写为更优化的值？

使用算术运算：

int main()
{
    clock_t begin = clock();
    int x;
    int i = 1000000000;
    while(i--) {
    x = 1147483000 + i;
    }
    printf("%d\n", x);

    clock_t end = clock();
    double time_spent = (double)(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC;

    printf("time spent = %f\n", time_spent);
    return 0;
}

输出：

1147483000
time spent = 3.520000

使用位运算符：

while loop 内的行被替换为：

x = add(1147483000, i);

这是add 函数：

int add(int x, int y) {
    while(y != 0) {
        int carry = (x & y);
        x = x ^ y;
        y = carry << 1;
    }
    return x;
}

输出：

1147483000
time spent = 32.940000

【问题讨论】：

你确定这个额外的时间不是函数调用所需的时间（开销）。我在某处读过这些。尝试将您的 add 功能块放入代码中，看看它是否在运行时间上有很大差异。还可以尝试查看这两种方法生成的汇编代码。
@CrystalMeth 如果此处的函数调用导致额外的 29 秒，您需要担心更大的问题。
@hvd ：我想说的是函数调用可能是造成额外时间的因素之一。我没有说这是唯一的原因。
你正在用三个指令的循环替换单个指令，你很惊讶它变慢了？
@CrystalMeth 我将功能块放入代码中 - 没有区别。我不太擅长组装。

标签： c bit-manipulation bitwise-operators compiler-optimization

【解决方案1】：

整数运算通常在硬件中以非常少的时钟周期执行。

您将无法在软件中接近这种性能。您使用按位运算的实现涉及函数调用和循环。您执行的按位运算通常花费与算术相似的时钟周期数。

您在每次迭代中执行三个按位运算。坦率地说，我很惊讶这里只有 10 倍。

我还想知道您的编译器设置是什么，特别是任何优化。一个好的编译器可以消除算术版本中的 while 循环。对于性能比较，您应该比较优化的代码。看起来你可能不会这样做。

很难知道您要在这里实现什么，但不要指望能击败硬件算术单元的性能。

【讨论】：

算术运算被编译成专用的算术操作码。 CPU 的算术单元执行算术运算的速度比任何软件都快。
CPU 具有硬件加法器，可以在一条指令中完成所有工作，可能需要 1 个或几个时钟，具体取决于硬件。您的软件加法器执行一个循环，然后循环 y 中的位数。由于一个循环至少需要 3 条指令（不计算循环开销），因此在最坏的情况下（32 循环 x 3 指令/循环），您的加法器运行可能会慢近 100 倍。展开你的循环以减少循环开销，你会看到不同

【解决方案2】：

你已经替换了这个：

x = 1147483000 + i;

用这个：

while(y != 0) {
    int carry = (x & y);
    x = x ^ y;
    y = carry << 1;
}

当然，您的速度会大大降低！两个整数的+ 是一条汇编指令。您的while 循环执行许多指令，有效地在软件中模拟硬件在执行加法时的行为。

更详细地说，这是full adder 的样子。加上 32 位，ALU 包含 32 个级联单元。这些硬件元素中的每一个都具有非常非常小的延迟。电线的延迟可以忽略不计。因此，如果软件将两个 32 位数字相加，所花费的时间非常少。

另一方面，如果你尝试手动模拟加法，你会让 CPU 进入内存，获取和解码一些指令 32 次，这需要相当长的时间。

【讨论】：

另外，调用函数 100 万次的开销。编译器可能会通过一些具有不同设置（例如 -O3）的自动内联来优化它。但它不会完全摆脱开销。
@selbie，我确信将添加作为软件循环重新实现会产生重大影响。当然可以通过简单地使函数内联并再次测试来进行测试。
事实上，现代 CPU 通常使用更复杂的加法器，因为一系列全加器需要与位数成正比的时钟数。 32 位加法器需要 32 个时钟

【解决方案3】：

当您用函数调用替换添加时：调用函数比简单的加法更耗时，因为函数调用与堆栈操作相关。

在函数中，您将用三个按位运算替换加法 - 它们与加法相比有多快可能是一个问题 - 尽管未经测试无法确认这一点。您可以在这里发布三个按位运算的各个时间吗？：

//tic
while(i--) {
    int carry = (x & y);
}
//toc

//tic
while(i--) {
    x = x ^ y;
}
//toc

//tic
while(i--) {
    y = carry << 1;
}
//toc

但函数调用应该是主要原因。

【讨论】：