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鲲鹏小智

循环优化

原理

循环优化是对程序中使用到的循环部分进行代码优化,合理的优化可以充分利用处理器的计算单元,提升指令流水线的调度效率,也可以提升cache命中率。循环优化的方法有很多,如循环展开,循环融合,循环分离,循环交换,循环平铺等,根据具体业务代码选择使用。

修改方式

  • 循环展开

    循环展开是将循环体重复多次来减少循环,通常使用在小循环中。可以利用鲲鹏处理器具有多个指令执行单元的特点,增加计算密度,提升指令流水线的调度效率。如下是循环展开前后的代码对比。

    修改前:

    for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayC[i] = arrayA[i] * arrayB[i];
    }

    修改后:

    int i;
    for (i = 0; i < ARRAYLEN - (ARRAYLEN % 4); i+=4) {
        arrayC[i] = arrayA[i] * arrayB[i];
        arrayC[i + 1] = arrayA[i + 1] * arrayB[i + 1];
        arrayC[i + 2] = arrayA[i + 2] * arrayB[i + 2];
        arrayC[i + 3] = arrayA[i + 3] * arrayB[i + 3];
    }
    for (; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayC[i] = arrayA[i] * arrayB[i];
    }
  • 循环融合

    循环融合是将相邻或紧密间隔的循环融合在一起,减少对循环变量的操作。迭代变量在循环体内被使用,可以提高cache的使用率。合并小循环后也有利于增加TaiShan处理器乱序执行的机会,提升指令流水线的调度效率。

    修改前:
    for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayA[i] = arrayB[i] + 3;
    }
    for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayC[i] = arrayA[i] + 5;
    }

    修改后:

    for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayA[i] = arrayB[i] + 3;
        arrayC[i] = arrayA[i] + 5;
    }
  • 循环分离

    循环分离主要针对较为复杂或计算密集的循环,将大循环拆分至多个小循环内执行,提升寄存器的利用率。

    修改前:

    for (int i = 1; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayA[i] = arrayA[i-1] + 2;
        arrayC[i] = arrayB[i] + 6;
    }

    修改后:

    for (int i = 1; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayA[i] = arrayA[i-1] + 2;
    }
    for (int i = 1; i < ARRAYLEN; i++) {
        arrayC[i] = arrayB[i] + 6;
    }
  • 循环交换

    循环交换是指交换循环的嵌套顺序,让内存访问尽可能满足局部性规则,提高cache命中率。

    修改前:

    for (int j = 0; j < ARRAYLEN; j++) {
        for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
            matrixC[i][j] = matrixA[i][j] + 3;
        }
    }

    修改后:

    for (int i = 0; i < ARRAYLEN; i++) {
        for (int j = 0; j < ARRAYLEN; j++) {
            matrixC[i][j] = matrixA[i][j] + 3;
        }
    }
  • 循环平铺

    循环平铺是指将一个循环拆分成一组嵌套循环,每个内部循环负责一个小数据块,以便最大化利用cache中的现有数据,提高cache命中率。通常针对比较大的数据集。

    修改前:

    for (int i = 0; i < n * ARRAYLEN; i++) {
        for (int j = 0; j < n * ARRAYLEN; j++) {
            matrixA[i][j] = matrixA[i][j] + matrixB[i][j];
        }
    }

    修改后:

    for (int in = 0; in < ARRAYLEN; in++) {
        for (int jn = 0; jn < ARRAYLEN; jn++) {
            for (int i = in; i < in + n; i++) {
                for (int j = jn; j < jn + n; j++) {
                    matrixA[i][j] = matrixA[i][j] + matrixB[i][j];
                }
            }
        }
    }
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