展开循环（C）

我理解展开循环的概念，但是，有人能给我解释一下如何展开一个简单的循环吗

如果你能给我看一个循环，然后是一个循环的展开版本，并解释正在发生的事情，那就太好了

#define N 44

int main() {
    int A[N], B[N];
    int i;

    // fill A with stuff ...

    for(i = 0; i < N; i++) {
        B[i] = A[i] * (100 % i);
    }

    // do stuff with B ...
}

展开：

#define N 44

int main() {
    int A[N], B[N];
    int i;

    // fill A with stuff ...

    for(i = 0; i < N; i += 4) {
        B[i] = A[i] * (100 % i);
        B[i+1] = A[i+1] * (100 % i+1);
        B[i+2] = A[i+2] * (100 % i+2);
        B[i+3] = A[i+3] * (100 % i+3);
    }

    // do stuff with B ...
}

展开可能会以更大的程序大小为代价来提高性能。性能的提高可能是由于分支惩罚、缓存未命中和执行指令的减少。有些缺点是显而易见的，比如代码量的增加和可读性的降低，有些则不那么明显。

#define N 44

int main() {
    int A[N], B[N];
    int i;

    // fill A with stuff ...

    for(i = 0; i < N; i++) {
        B[i] = A[i] * (100 % i);
    }

    // do stuff with B ...
}

展开：

#define N 44

int main() {
    int A[N], B[N];
    int i;

    // fill A with stuff ...

    for(i = 0; i < N; i += 4) {
        B[i] = A[i] * (100 % i);
        B[i+1] = A[i+1] * (100 % i+1);
        B[i+2] = A[i+2] * (100 % i+2);
        B[i+3] = A[i+3] * (100 % i+3);
    }

    // do stuff with B ...
}

---

展开可能会以更大的程序大小为代价来提高性能。性能的提高可能是由于分支惩罚、缓存未命中和执行指令的减少。有些缺点是显而易见的，比如代码量增加和可读性降低，有些则不那么明显。

展开循环的过程利用了计算机科学中的一个基本概念：时空权衡，增加使用的空间通常会导致算法的时间缩短

假设我们有一个简单的循环

const int n = 1000;

for (int i = 0; i < n; ++i) {
    foo();
}

因此，时空折衷是对执行的~4*1000=~4000条指令进行5行汇编

那么，让我们试着稍微展开这个循环

for (int i = 0; i < n; i += 10) {
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
}

对于执行的~14*100=~1400条指令，时空折衷是14行汇编

我们可以进行完全展开，如下所示：

mov eax, 0

loop:

call foo
inc eax
cmp eax, 1000
jne loop

foo();
foo();
// ...
// 996 foo()'s
// ...
foo();
foo();

它在汇编中编译为1000条调用指令

这为1000条指令提供了1000行汇编的时空权衡

如您所见，总的趋势是为了减少CPU执行的指令量，我们必须增加所需的空间

完全展开循环是没有效率的，因为所需的空间变得非常大。部分展开带来了巨大的好处，展开循环越多，回报就会大大减少

---

虽然理解循环展开是一个好主意，但请记住，编译器是智能的，会为您完成这项工作。

展开循环的过程利用了计算机科学中的一个基本概念：时空权衡，增加使用的空间通常会导致减少算法的时间

假设我们有一个简单的循环

const int n = 1000;

for (int i = 0; i < n; ++i) {
    foo();
}

因此，时空折衷是对执行的~4*1000=~4000条指令进行5行汇编

那么，让我们试着稍微展开这个循环

for (int i = 0; i < n; i += 10) {
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
    foo();
}

对于执行的~14*100=~1400条指令，时空折衷是14行汇编

我们可以进行完全展开，如下所示：

mov eax, 0

loop:

call foo
inc eax
cmp eax, 1000
jne loop

foo();
foo();
// ...
// 996 foo()'s
// ...
foo();
foo();

它在汇编中编译为1000条调用指令

这为1000条指令提供了1000行汇编的时空权衡

如您所见，总的趋势是为了减少CPU执行的指令量，我们必须增加所需的空间

完全展开循环是没有效率的，因为所需的空间变得非常大。部分展开带来了巨大的好处，展开循环越多，回报就会大大减少

---

虽然理解循环展开是一个好主意，但请记住，编译器是智能的，并且会为您完成这项工作。

我认为澄清什么时候循环展开最有效很重要：使用依赖链。依赖链是一系列操作，其中每个计算都依赖于以前的计算。例如，下面的循环有一个依赖链

for(i=0; i<n; i++) sum += a[i];

没有依赖链，因此无序执行没有问题。但是，让我们考虑一个指令集，它需要每次迭代的以下操作。

2 SIMD load
1 SIMD store
1 SIMD multiply
1 SIMD addition
1 scalar addition for the loop counter
1 conditional jump

我们还假设处理器每个周期可以执行其中五条指令。在这种情况下，每个迭代有七条指令，但每个周期只能执行五条指令。然后可以使用循环展开将标量加法的成本分摊到计数器i和条件跳转中。例如，如果完全展开循环，则不需要这些指令

---

对于摊销循环计数器和跳跃-funroll循环的成本，GCC可以很好地工作。它展开八次，这意味着计数器加法和跳转必须每八次迭代进行一次，而不是每一次迭代。

我认为澄清什么时候循环展开最有效很重要：使用依赖链。依赖链是一系列操作，其中每个计算都依赖于以前的计算。例如，下面的循环有一个依赖链

for(i=0; i<n; i++) sum += a[i];

2 SIMD load
1 SIMD store
1 SIMD multiply
1 SIMD addition
1 scalar addition for the loop counter
1 conditional jump

没有依赖链，因此无序执行没有问题。但是，让我们考虑一个指令集，它需要每次迭代的以下操作。

2 SIMD load
1 SIMD store
1 SIMD multiply
1 SIMD addition
1 scalar addition for the loop counter
1 conditional jump

我们还假设处理器每个周期可以执行其中五条指令。在这种情况下，每个iter有七条指令 但每个循环只能进行五次。然后可以使用循环展开将标量加法的成本分摊到计数器i和条件跳转中。例如，如果完全展开循环，则不需要这些指令

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对于摊销循环计数器和跳跃-funroll循环的成本，GCC可以很好地工作。它展开八次，这意味着计数器的加法和跳转必须每八次迭代进行一次，而不是每一次迭代。

你读过维基百科页面吗？这里有一些很好的c示例。其基本思想是，展开的循环在读取/写入您关心的数据方面花费的周期比检查/更新控制循环的条件变量相关的开销要多，因此可以提供更好的性能：另请参见：您阅读过wikipedia页面吗？这里有一些很好的c示例。基本思想是，展开的循环在读/写您关心的数据时所花费的周期比检查/更新控制循环的条件变量时所花费的开销要多，因此可以提供更好的性能：另请参见：您不应假设编译器将展开循环。在依赖链中，GCC不会展开循环。即使使用-funroll循环，也不会破坏依赖链。手动循环展开在优化中仍然很有用。回答不错。我想知道循环展开是否是大多数编译语言或C&related语言的常见特性。而且，我猜用解释语言展开是不可能的，对吗？很抱歉，如果我在非主题中有点分歧，您不应该假设编译器将展开循环。在依赖链中，GCC不会展开循环。即使使用-funroll循环，也不会破坏依赖链。手动循环展开在优化中仍然很有用。回答不错。我想知道循环展开是否是大多数编译语言或C&related语言的常见特性。而且，我猜用解释语言展开是不可能的，对吗？对不起，如果我在离题的问题上有点分歧

2 SIMD load
1 SIMD store
1 SIMD multiply
1 SIMD addition
1 scalar addition for the loop counter
1 conditional jump