restrict关键字在gcc/g++中是否提供了显著的好处?

restrict关键字有区别。

在某些情况下(图像处理),我已经看到因子2和更多的改进。但大多数情况下,差异并不大。大约10%。

这里有一个小例子来说明这个区别。我写了一个非常基本的4x4矢量*矩阵变换作为测试。注意,我必须强制函数不被内联。否则,gcc会检测到我的基准代码中没有任何别名指针,而restrict不会因为内联而有所不同。

我也可以将转换函数移到其他文件中。

#include <math.h>

#ifdef USE_RESTRICT
#else
#define __restrict
#endif


void transform (float * __restrict dest, float * __restrict src, 
                float * __restrict matrix, int n) __attribute__ ((noinline));

void transform (float * __restrict dest, float * __restrict src, 
                float * __restrict matrix, int n)
{
  int i;

  // simple transform loop.

  // written with aliasing in mind. dest, src and matrix 
  // are potentially aliasing, so the compiler is forced to reload
  // the values of matrix and src for each iteration.

  for (i=0; i<n; i++)
  {
    dest[0] = src[0] * matrix[0] + src[1] * matrix[1] + 
              src[2] * matrix[2] + src[3] * matrix[3];

    dest[1] = src[0] * matrix[4] + src[1] * matrix[5] + 
              src[2] * matrix[6] + src[3] * matrix[7];

    dest[2] = src[0] * matrix[8] + src[1] * matrix[9] + 
              src[2] * matrix[10] + src[3] * matrix[11];

    dest[3] = src[0] * matrix[12] + src[1] * matrix[13] + 
              src[2] * matrix[14] + src[3] * matrix[15];

    src  += 4;
    dest += 4;
  }
}

float srcdata[4*10000];
float dstdata[4*10000];

int main (int argc, char**args)
{
  int i,j;
  float matrix[16];

  // init all source-data, so we don't get NANs  
  for (i=0; i<16; i++)   matrix[i] = 1;
  for (i=0; i<4*10000; i++) srcdata[i] = i;

  // do a bunch of tests for benchmarking. 
  for (j=0; j<10000; j++)
    transform (dstdata, srcdata, matrix, 10000);
}

结果:(在我的2 GHz双核上)

nils@doofnase:~$ gcc -O3 test.c
nils@doofnase:~$ time ./a.out

real    0m2.517s
user    0m2.516s
sys     0m0.004s

nils@doofnase:~$ gcc -O3 -DUSE_RESTRICT test.c
nils@doofnase:~$ time ./a.out

real    0m2.034s
user    0m2.028s
sys     0m0.000s

在拇指上,执行速度快20%,打开 那个 系统。

为了显示它在多大程度上取决于架构,我让相同的代码在Cortex-A8嵌入式CPU上运行(由于我不想等那么长时间,所以稍微调整了循环计数):

root@beagleboard:~# gcc -O3 -mcpu=cortex-a8 -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp test.c
root@beagleboard:~# time ./a.out

real    0m 7.64s
user    0m 7.62s
sys     0m 0.00s

root@beagleboard:~# gcc -O3 -mcpu=cortex-a8 -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp -DUSE_RESTRICT test.c 
root@beagleboard:~# time ./a.out

real    0m 7.00s
user    0m 6.98s
sys     0m 0.00s

这里的差异只有9%(同样的编译器btw)。

restrict关键字在gcc/g++中是否提供了显著的好处?

它 可以 减少下面示例中所示的指令数量,因此尽可能使用它。

GCC 4.8 Linux x86-64 exmample

输入:

void f(int *a, int *b, int *x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

编译和反编译:

gcc -g -std=c99 -O0 -c main.c
objdump -S main.o

用 -O0 它们是一样的。

用 -O3 :

void f(int *a, int *b, int *x) {
    *a += *x;
   0:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   2:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
   4:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   6:   01 06                   add    %eax,(%rsi)  

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x) {
    *a += *x;
  10:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
  12:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
  14:   01 06                   add    %eax,(%rsi) 

对于没有经验的人来说, calling convention 是:

• rdi =第一个参数
• rsi =第二个参数
• rdx =第三个参数

结论: 3条指令而不是4条指令 .

当然,指示 can have different latencies 但这是个好主意。

为什么海湾合作委员会能够优化这一点?

上面的代码取自 Wikipedia example 哪个是 非常 照明。

的伪程序集 f :

load R1 ← *x    ; Load the value of x pointer
load R2 ← *a    ; Load the value of a pointer
add R2 += R1    ; Perform Addition
set R2 → *a     ; Update the value of a pointer
; Similarly for b, note that x is loaded twice,
; because a may be equal to x.
load R1 ← *x
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

为了 fr :

load R1 ← *x
load R2 ← *a
add R2 += R1
set R2 → *a
; Note that x is not reloaded,
; because the compiler knows it is unchanged
; load R1 ← *x
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

真的更快吗?

嗯…不是为了这个简单的测试:

.text
    .global _start
    _start:
        mov $0x10000000, %rbx
        mov $x, %rdx
        mov $x, %rdi
        mov $x, %rsi
    loop:
        # START of interesting block
        mov (%rdx),%eax
        add %eax,(%rdi)
        mov (%rdx),%eax # Comment out this line.
        add %eax,(%rsi)
        # END ------------------------
        dec %rbx
        cmp $0, %rbx
        jnz loop
        mov $60, %rax
        mov $0, %rdi
        syscall
.data
    x:
        .int 0

然后:

as -o a.o a.S && ld a.o && time ./a.out

在Ubuntu 14.04 AMD64 CPU Intel I5-3210M上。

我承认我仍然不了解现代CPU。如果你:

• 在我的方法中发现了一个缺陷
• 找到一个汇编程序测试用例,它在那里变得更快
• 明白为什么没有区别

文章 Demystifying The Restrict Keyword 指的是报纸 Why Programmer-specified Aliasing is a Bad Idea (pdf)这表示它通常没有帮助,并提供了支持这一点的度量。

我测试过 this C程序。没有 restrict 用了12.640秒完成 限制 12.516。看起来像 可以 节约 一些 时间。

请注意,允许C++的编译器 restrict 关键字可能仍然忽略它。例如,就是这样 here .