为什么 gcc 的输出比 Visual Studio 慢得多（对于此代码）？

Question

当我使用 gcc 在定期更新的 Ubuntu 16.04 64bit 上编译以下代码时

gcc source.c -O3 --fast-math

可执行文件需要大约 45 秒的 CPU 时间才能运行。但是在同一台机器上，在 Windows 7 64bit 中，使用 Visual Studio 2012 发布模式，运行 CPU 时间不到 10 秒。造成这种差异的主要原因是什么？我没有使用足够多的 gcc 优化选项吗？ Visual Studio 的编译器是否更好？还是别的什么？

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <time.h>

#define Nx 1000

int main()
{
    double d = 0.015e-2;        // meter
    double V0 = 400;            // volt
    double De = 1800e-4;        // m^2 per sec
    double mu_e = 2.9e1 / 760;  // m^2 per volt sec
    double n0 = 1e19;           // per m^3
    double e_eps = 1.602e-19 / 8.854e-12;
    double ne[Nx], je[Nx], E[Nx];
    double dx = d / (Nx - 1);
    double dt = 1e-14;          // s
    const int Nt = 500000;
    int i, k;
    double sum;
    FILE *fp_ne, *fp_E;
    double alpha, exp_alpha, R;
    int ESign = -1;
    clock_t start_t, end_t;

    start_t = clock();
    // initialization
    for (i = 1; i < Nx; i++)
        ne[i] = n0;
    ne[0] = 1e-4 * n0;

    for (i = 0; i < Nx; i++)
        E[i] = -V0 / d;

    // time loop
    for (k = 0; k < Nt; k++)
    {
        if (k%1000==0) printf("k = %d\n", k);
        for (i = 0; i < (Nx-1); i++)
        {
            alpha = mu_e*dx*E[i]/De;
            exp_alpha = exp(alpha);
            R = (exp_alpha-1)/alpha;
            je[i] = (De/(dx*R))*(ne[i]-exp_alpha*ne[i+1]);
        }

        for (i = 1; i < (Nx - 1); i++)
            ne[i] += -dt/dx*(je[i] - je[i-1]);
        ne[Nx - 1] = ne[Nx - 2];

        sum = 0;
        for (i = 0; i < (Nx - 1); i++)
            sum += dx*je[i];
        for (i = 0; i < (Nx - 1); i++)
        {
            E[i] += -dt*e_eps*(sum / d - je[i]);
            if (E[i]>=0) ESign=+1;
        }
        if (ESign==1) break;
    }

    // output
    printf("time=%e\n",k*dt);
    fp_ne = fopen("ne.txt", "w");
    fp_E = fopen("E.txt", "w");
    fprintf(fp_ne, "# x (cm)\tne(per cm^3)\n");
    fprintf(fp_E,  "# x (cm)\tE(V/cm)\n");
    for (i = 0; i < Nx; i++)
        fprintf(fp_ne, "%f\t%e\n", i*dx*100,ne[i]/1e6);
    for (i = 0; i < Nx-1; i++)
        fprintf(fp_E, "%f\t%e\n", i*dx*100, fabs(E[i])/1e2);
    fclose(fp_ne);
    fclose(fp_E);
    end_t = clock();
    printf("CPU time = %f\n", (double)(end_t - start_t) / CLOCKS_PER_SEC);
}

Answer 1

我做的第一件事就是注释掉循环 I/O。

//if (k%1000==0) printf("k = %d\n", k);

我得到了下面的时间，只有那个变化。最后的fprintf 调用确实会显着影响时间，但不会影响它们的相对差异，所以我不会再次测量所有这些。

我在我的 Arch Linux 第一代 Core i5 上得到了这些时间（全部使用标准 -O2 编译）：

• GCC 7.1：

  CPU time = 23.459520
  

• Clang 4.0.1：

  CPU time = 22.936315
  

• 英特尔 17.0.4：

  CPU time = 7.830828
  

在同一台机器上的 Windows 10 的 Qemu/libvirt 虚拟机上，我得到了这些时间：

• MinGW-w64 GCC 6.3：

  CPU time = 76.122000
  

• VS 2015.3：

  CPU time = 13.497000
  

• 对比 2017：

  CPU time = 49.306000
  

在 WINE 上（本机 Linux，但 Win32 API 仿真，仍应与本机 Linux 代码执行相当）

• MinGW-w64 GCC 6.3：

  CPU time = 56.074000
  

• VS 2015.3：

  CPU time = 12.048000
  

• 对比 2017：

  CPU time = 34.541000
  

长话短说：似乎这些为这个特定问题输出了最好的代码：

1. Linux 上的 Intel（可能也在 Windows 上）
2. VS 2015.3
3. Linux 上的 GCC/Clang
4. VS 2017
5. MinGW-w64 GCC。

查看程序集将是了解这一点的唯一方法，但正确分析这超出了我的范围。