为循环优化 C [关闭]

Question

到目前为止，我一直在尝试优化我的程序，但我的目标是让它少于 5 秒。我还可以在我的代码中进行哪些更改？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define N_TIMES 600000
#define ARRAY_SIZE 10000

int main(void) {
    double *array = calloc(ARRAY_SIZE, sizeof(double));
    double sum = 0;
    int i, j;

    printf("CS201 - Asgmt 4 - your name\n");

    for (i = 0; i < N_TIMES; i++) {
        for (j = 0; j < ARRAY_SIZE; j = j + 20) {
            sum = sum + array[j] + array[j+1] + array[j+2] + array[j+3] +
                  array[j+4] + array[j+5] + array[j+6] + array[j+7] +
                  array[j+8] + array[j+9] + array[j+10] + array[j+11] +
                  array[j+12] + array[j+13] + array[j+14] + array[j+15] +
                  array[j+16] + array[j+17] + array[j+18] + array[j+19];
        }   
    }
}

Answer 1

删除所有无意义的过程。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("CS201 - Asgmt 4 - your name\n");
    return 0;
}

Answer 2

让优化器为你做优化。

我把代码粘贴到a.c。

$ gcc a.c -o a
$ time ./a
CS201 - Asgmt 4 - your name

real    0m7.128s
user    0m7.032s
sys     0m0.004s
$ gcc -O2  a.c   -o a
$ time ./a
CS201 - Asgmt 4 - your name

real    0m0.001s
user    0m0.000s
sys     0m0.000s
$

抛开玩笑，展开是好的。

如果数据大于缓存，切换循环可能会有所帮助。 在我的电脑上并没有什么明显的区别（数据只有 80kb）。

线程可能是下一步。这样您就可以使用多个内核。

如果您的服务器类似于我的家用计算机（具有非常好的显卡），那么如果您使用它，您将获得最好的结果。 使用显卡进行计算的流行库是 CUDA。

Answer 3

calloc 返回一个用零字节初始化的数组。考虑到您的机器可能使用 IEEE 754 二进制浮点数，该数组中的所有 double 值都是 0.0。

现在，你所做的实际上是重复 300000000 次 sum = sum + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0 + 0.0。

因此如果您需要sum，我们可以将循环优化为：

sum = 0.0;

Answer 4

使用乘法指令怎么样？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define N_TIMES 600000
#define ARRAY_SIZE 10000

int main (void){
    double *array = calloc(ARRAY_SIZE, sizeof(double));
    double sum = 0;
    int i, j;

    printf("CS201 - Asgmt 4 - your name\n");
    for (i = 0; i < N_TIMES; i+=N_TIMES) {
        for (j = 0; j < ARRAY_SIZE; j=j+20) {
            sum = sum + array[j] + array[j+1] + array[j+2] + array[j+3] + array[j+4] + array[j+5] + array[j+6] + array[j+7] + array[j+8] + array[j+9] + array[j+10] +   array[j+11] + array[j+12] +array[j+13] + array[j+14] + array[j+15] + array[j+16]   + array[j+17] + array[j+18] + array[j+19];
        }
        sum *=N_TIMES;
    }
    return 0;
}

Answer 5

首先，让我们尝试更改算法，因为这通常会产生最佳结果。

方法#1。 由于所有内存都是分配的内存，由于 calloc() 将其初始化为零，并且从未分配过其他值，因此分配的数组中的每个双精度数都将具有 0.0 的值。因此，分配的内存中所有双精度数的总和始终为 0.0。

方法#2。 所有元素的总和不会从一次迭代到下一次迭代。所以，计算一次总和，然后乘以 N_TIMES。

其他一些选项（如果以上不可接受）：

方法#3。 如果您每次都必须遍历循环，那么让我们帮助编译器并行进行计算，以便一次加法的结果对下一次加法的影响最小。为此，将内循环中的添加组织如下...

                    tmp[0] = array[j] + array[j+1];
                    tmp[1] = array[j+2] + array[j+3];
                    tmp[2] = array[j+4] + array[j+5];
                    tmp[3] = array[j+6] + array[j+7];
                    tmp[4] = array[j+8] + array[j+9];
                    tmp[5] = array[j+10] + array[j+11];
                    tmp[6] = array[j+12] + array[j+13];
                    tmp[7] = array[j+14] + array[j+15];
                    tmp[8] = array[j+16] + array[j+17];
                    tmp[9] = array[j+18] + array[j+19];

                    tmp[0] += tmp[1];
                    tmp[2] += tmp[3];
                    tmp[4] += tmp[5];
                    tmp[6] += tmp[7];
                    tmp[8] += tmp[9];

                    tmp[0] += tmp[2];
                    tmp[4] += tmp[6];

                    tmp[0] += tmp[4];
                    sum += (tmp[8] + tmp[0]);

在我的机器上，这改进了大约 17%（6.8 秒到 5.6 秒）（gcc file.c -o 文件）。

方法#4。 微调方法 #3 的并行化。

方法#5。 如果您的编译器和目标机器都支持，请尝试启用 SSE 数学（如果尚未启用）。

gcc -mfpmath=sse file.c -o file

在我的机器上，这进一步缩短了执行时间（从 5.6 秒到 5.4 秒）

方法#6。 同样，如果您的编译器和目标机器都支持它，请尝试编写您的内部循环以利用矢量化——这样它就可以一次执行多个加法。

方法 #7。 打开编译器的优化标志。

gcc -mfpmath=sse -O2 file.c -o file

希望这会有所帮助。

Answer 6

从技术上讲，代码调用未定义的行为，因为所有位 0 不一定是 double 类型的有效表示。结果未使用，但使用无效的double 可能会导致触发系统定义的异常。

在具有 IEEE.754 浮点数的计算机上，所有位 0 都表示 0.0。将所有这些数字相加将产生值0.0，重复该过程N_TIMES 次没有区别。

如果你需要用calloc()分配内存，那么就这样做吧，但是剩下的计算是没用的：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define N_TIMES 600000
#define ARRAY_SIZE 10000

int main(void) {
    double *array = calloc(ARRAY_SIZE, sizeof(double));

    printf("CS201 - Asgmt 4 - your name\n");

    free(array);  // you might want to free the array for good style

    return 0;
}