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c++ - 使用 GCC 优化 C/C++ 循环中的嵌套 if 语句

coder 2023-11-15 原文

我正在使用 GCC 编译器测试 C/C++ 中的各种优化。我目前有一个包含多个嵌套 if 语句的循环。条件是在程序开始执行时计算的。它看起来有点像这样:

bool conditionA = getA();
bool conditionB = getB();
bool conditionC = getC();
//Etc.

startTiming();

do {
    if(conditionA) {
        doATrueStuff();
        if(conditionB) {
            //Etc.
        } else {
            //Etc.
        }
    } else {
        doAFalseStuff();
        if(conditionB) {
            //Etc.
        } else {
            //Etc.
        }
    }
} while (testCondition());

endTiming();

其中 doATrueStuff() 是一个内联函数，它执行一些简单的数值计算，因此调用它没有开销。

不幸的是，条件不能事先定义，它们必须在运行时计算。我们甚至无法可靠地预测它们是对还是错的可能性。 getA() 也可能是 rand()%2。但是一旦计算出来，它们的值就永远不会改变。

我想到了两种解决方案，一种是全局函数指针，用于在循环内调用适当的函数，如下所示:

void (*ptrA)(void);
//Etc.

int main(int argc, char **argv) {
    //...
    if (conditionA) {
        ptrA=&aTrueFunc;
    } else {
        ptrA=&aFalseFunc;
    }
    //...
    do {
        (*ptrA)();
    } while (testCondition());
    //...
}

这样我就可以消除循环中的所有分支，但是这样我就会有多个函数调用的开销，这会减慢我的速度。

或者我可以简单地为每个条件组合设置不同的循环，如下所示:

if(conditionA) {
    if(conditionB) {
        do {
            //Do A == true B == true stuff
        } while (testCondition());
    } else {
        do {
            //Do A == true B == false stuff
        } while (testCondition());
    }
} else {
    //Etc.
}

然而，这不太优雅，一旦开始有太多条件，就不可能有效地做到这一点，因为对于 X 条件，需要编写 2^X 循环。

是否有更优雅/更快速的优化方法？

这有什么意义吗，或者编译器会以某种方式理解条件在循环期间不会改变并自行优化吗？

出于好奇，是否有另一种编程语言可以使编写此类代码变得更容易/可能？或者只有在程序加载到内存后使用汇编更改程序指令才有可能吗？

最佳答案

理论:

尝试通过一些古怪的重写来优化您的代码可能会使编译器难以进行通常的优化。编译器和处理器可以使用两种技术优化代码:

  1. 分支预测:编译器可以通过使用 profile guided optimizations来做到这一点，主要是通过估计每个分支的概率。除了计算每个目标的统计数据外，CPU 还具有尝试检测分支模式的分支目标缓冲区。
  2. 分支预测:编译器或 CPU 将使代码并行执行两个分支(因为现在的处理器是超标量的)并且根据条件结果，它只会忽略不正确路径的结果(例如 CMOV 指令)。您可以尝试使用以下方法禁用分支谓词:-fno-if-conversion 和 -fno-if-conversion2。如果每个分支上有很多计算并且执行所有路径将导致指令解码器和执行端口的浪费，这可能会有所帮助。

作为一个简单的开发人员，使用 gcc，您还可以使用“可能”和“不太可能” 编译提示来帮助分支预测或代码生成。检查 here 了解更多详情。例如，如果您知道一种情况比另一种情况更有可能发生，这可能会奏效。

要查看分支预测效率，请使用 perf stat ./binary 并检查分支未命中率，以及您进行的每次优化的分支未命中数。

在您的代码案例中:

如果 conditionA、conditionB 和 conditionC 在循环之前计算，并且没有改变，那么分支预测器很容易检测到模式。 CPU 的预测器通过跟踪最后采用/未采用的分支来做到这一点，并将使用记录的历史来预测以下分支。因此，我实际上预计，由于代码中的分支而导致的性能损失非常小，您可以按上述方式进行验证。

关于c++ - 使用 GCC 优化 C/C++ 循环中的嵌套 if 语句，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/30264192/

amp43strongcodesectionc++cloopsgccoptimization

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