我正在对一个科学应用程序进行数值优化。我注意到的一件事是,GCC将通过将调用pow(a,2)编译为a*a来优化它,但调用pov(a,6)并没有优化,实际上会调用库函数pow,这会大大降低性能。(相比之下,可执行icc的“英特尔C++编译器”将消除对pow(a,6)的库调用。)

我好奇的是,当我使用GCC 4.5.1和选项“-O3-lm-funroll-loops-msse4”将pow(a,6)替换为a*a*a*a*a*a时,它使用了5条多指令:

movapd  %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13

而如果我写(a*a*a)*(a*a*a),它将产生

movapd  %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm14, %xmm13
mulsd   %xmm13, %xmm13

这将乘法指令的数量减少到3。icc也有类似的行为。

为什么编译器不认识这种优化技巧?


当前回答

我根本不会期望这种情况得到优化。表达式中包含可以重新组合以删除整个操作的子表达式的情况不太常见。我希望编译器编写者将他们的时间投入到更有可能带来显著改进的领域,而不是涵盖很少遇到的边缘情况。

我惊讶地从其他答案中得知,这个表达式确实可以通过适当的编译器开关进行优化。要么优化是微不足道的,要么是更常见的优化的边缘情况,要么编译器编写者非常彻底。

像您在这里所做的那样,向编译器提供提示没有错。重新排列语句和表达式,看看它们会带来什么差异,这是微优化过程中的一个正常和预期的部分。

虽然编译器可能有理由考虑这两个表达式以提供不一致的结果(没有适当的开关),但您无需受到该限制的约束。差异将非常小,以至于如果差异对你很重要,你不应该首先使用标准的浮点运算。

其他回答

正如Lambdageek指出的那样,浮点乘法是不相关的,你可以得到更少的精度,但当获得更好的精度时,你可以反对优化,因为你想要一个确定性的应用程序。例如,在游戏模拟客户端/服务器中,每个客户端都必须模拟相同的世界,您希望浮点计算具有确定性。

因为浮点数学不是关联的。浮点乘法中操作数的分组方式会影响答案的数值精度。

因此,大多数编译器对重新排序浮点计算非常保守,除非他们能够确定答案不变,或者除非你告诉他们你不在乎数值精度。例如:gcc的-fassociative math选项允许gcc重新关联浮点运算,或者甚至-fast math选项,允许更积极地权衡精度与速度。

因为32位浮点数(例如1.024)不是1.024。在计算机中,1.024是一个间隔:从(1.024-e)到(1.024+e),其中“e”表示错误。有些人没有意识到这一点,还认为a中的*代表任意精度数字的乘法,而这些数字没有任何错误。有些人没有意识到这一点的原因可能是他们在小学进行的数学计算:只使用理想数字而不附加错误,并且认为在执行乘法时忽略“e”是可以的。他们看不到“float a=1.2”、“a*a*a”和类似C代码中隐含的“e”。

如果大多数程序员认识到(并能够执行)C表达式a*a*a*a*a*a实际上不适用于理想的数字,那么GCC编译器就可以自由地将“a*a*a*a*a*a*a”优化为“t=(a*a);t*t*t”,这需要更少的乘法运算。但不幸的是,GCC编译器不知道编写代码的程序员是否认为“a”是一个有或没有错误的数字。所以GCC只会做源代码的样子——因为这是GCC用“肉眼”看到的。

…一旦你知道自己是什么样的程序员,你就可以使用“-fast math”开关告诉GCC“嘿,GCC,我知道我在做什么!”。这将允许GCC将a*a*a*a*a*a转换为一段不同的文本-它看起来与a*a*a*a*a*a*a*b*a不同-但仍在a*a a*a a*a*a a*的错误间隔内计算一个数字。这是可以的,因为你已经知道你使用的是时间间隔,而不是理想的数字。

这个问题已经有了一些很好的答案,但为了完整起见,我想指出C标准的适用部分是5.1.2.2.3/15(与C++11标准中的1.9/9节相同)。本节指出,只有当运算符真的是结合的或可交换的时,才能重新组合它们。

我根本不会期望这种情况得到优化。表达式中包含可以重新组合以删除整个操作的子表达式的情况不太常见。我希望编译器编写者将他们的时间投入到更有可能带来显著改进的领域,而不是涵盖很少遇到的边缘情况。

我惊讶地从其他答案中得知,这个表达式确实可以通过适当的编译器开关进行优化。要么优化是微不足道的,要么是更常见的优化的边缘情况,要么编译器编写者非常彻底。

像您在这里所做的那样,向编译器提供提示没有错。重新排列语句和表达式,看看它们会带来什么差异,这是微优化过程中的一个正常和预期的部分。

虽然编译器可能有理由考虑这两个表达式以提供不一致的结果(没有适当的开关),但您无需受到该限制的约束。差异将非常小,以至于如果差异对你很重要,你不应该首先使用标准的浮点运算。