什么是循環(huán)展開？

循環(huán)展開，英文中稱Loop unwinding或loop unrolling，是一種犧牲程序的尺寸來加快程序的執(zhí)行速度的優(yōu)化方法?？梢杂沙绦騿T完成，也可由編譯器自動(dòng)優(yōu)化完成。循環(huán)展開最常用來降低循環(huán)開銷，為具有多個(gè)功能單元的處理器提供指令級(jí)并行。也有利于指令流水線的調(diào)度。

循環(huán)展開能從兩方面改進(jìn)程序的性能：

• 減少了不直接有助于程序結(jié)果的操作的數(shù)量，例如循環(huán)索引計(jì)算和分支條件。
• 提供了一些方法，可以進(jìn)一步變化代碼，減少整個(gè)計(jì)算中關(guān)鍵路徑上的操作數(shù)量。

循環(huán)展開對(duì)程序性能的影響

我們直接以實(shí)際代碼向大家展示循環(huán)展開的作用，首先看未經(jīng)過循環(huán)展開優(yōu)化的代碼：

#include <iostream>
#include <chrono>

int main(){
 auto start = std::chrono::system_clock::now();
 int sum = 0;
 int count = 10000;
 //循環(huán)10000次累加
 for(int i = 0;i < count;i++){ 
 sum += i;
 }
 auto end = std::chrono::system_clock::now();
 std::chrono::duration<double> dura = end - start;
 std::cout <<"共耗時(shí)："<< dura.count() << "s" << std::endl;
 return 0;
}

類似于上面的這段代碼是我們平常工作中經(jīng)常見到的，函數(shù)目的就是求得1+2+……+9998+9999的累加和，每次循環(huán)把i累加到sum變量上，循環(huán)次數(shù)一共10000次。代碼運(yùn)行結(jié)果如下：

可以看出代碼運(yùn)行耗時(shí)0.0000279秒。

下面我們將循環(huán)展開一次，即把上述代碼中的循環(huán)改為如下代碼：

for(int i = 0;i < count;i += 2){
 sum += i;
 sum += i+1;
}

即每次循環(huán)將i和i+1一起累加到sum變量上，這樣可以把循環(huán)次數(shù)從10000次降低到5000次，由于CPU的高度流水線化，連續(xù)兩個(gè)加法指令增加耗時(shí)很低，所以此版本代碼可以一定程度上提高程序運(yùn)行速度，運(yùn)行結(jié)果如下：

代碼運(yùn)行耗時(shí)0.0000159秒，相較于未優(yōu)化代碼速度快了將近一倍。

當(dāng)然，我們可以繼續(xù)增加循環(huán)展開次數(shù)以進(jìn)一步提高程序運(yùn)行速度，但是這個(gè)增加循環(huán)展開次數(shù)也是有限度的，當(dāng)達(dá)到了CPU的最高吞吐量之后，繼續(xù)增加循環(huán)展開次數(shù)是沒有意義的。

上述循環(huán)展開后的代碼依然有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，那就是消除連續(xù)指令的相關(guān)性，以達(dá)到指令級(jí)并行，我們可以看到循環(huán)展開后的代碼，循環(huán)體中有兩條語句：sum += i 和 sum += i+1，第二條語句sum += i+1依賴于第一條命來sum += i的執(zhí)行結(jié)果，所以這兩條語句只能依次執(zhí)行，限制了CPU進(jìn)一步提高性能的可能。如果我們將循環(huán)體改為如下代碼：

int sum1=0,sum2=0;
for(int i=0;i < count;i+=2){
 sum1 += i;
 sum2 += i+1;
}
sum = sum1 + sum2;

我們新建了兩個(gè)變量sum1和sum2用于存儲(chǔ)循環(huán)展開時(shí)兩個(gè)累加語句的累加結(jié)果，最后在循環(huán)體外將兩部分結(jié)果相加得到最終結(jié)果。該代碼中兩個(gè)累加語句之間是互不相關(guān)的，所以CPU可以并行執(zhí)行這兩條指令，以達(dá)到性能的進(jìn)一步提高。下面是運(yùn)行結(jié)果：

代碼運(yùn)行耗時(shí)0.0000073秒，相較于只進(jìn)行循環(huán)展開的代碼速度又快了將近一倍。

總結(jié)

由上面三段代碼的運(yùn)行速度對(duì)比可以看出，循環(huán)展開對(duì)程序性能有著很重要的影響，可以減少分支預(yù)測錯(cuò)誤次數(shù)，增加取消數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)一步利用并行執(zhí)行提高速度的機(jī)會(huì)。但是，并不建議大家進(jìn)行手動(dòng)的循環(huán)展開，在代碼中進(jìn)行循環(huán)展開會(huì)導(dǎo)致程序的可讀性下降，代碼膨脹。為了直觀感受循環(huán)展開對(duì)性能的影響，上述代碼運(yùn)行結(jié)果均是在不開編譯器優(yōu)化的情況下進(jìn)行的測試，其實(shí)在我們開啟了編譯器優(yōu)化的時(shí)候，編譯器會(huì)自動(dòng)對(duì)我們的循環(huán)代碼進(jìn)行循環(huán)展開，讓我們可以在保持了代碼可讀性的同時(shí)，又能享受到循環(huán)展開對(duì)我們程序性能的提高。

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