Tôi không thể nhớ chính xác những gì giáo viên của chúng tôi đã nói ngày hôm đó và tôi hy vọng bạn có thể sẽ biết.
Mô-đun là "Cấu trúc dữ liệu và thuật toán" và anh ấy đã nói với chúng tôi điều gì đó dọc theo dòng:
Các
iftuyên bố là nhất đắt [gì đó]. [cái gì đó] đăng ký [cái gì đó].
Vâng, tôi thực sự có một ký ức kinh hoàng và tôi thực sự xin lỗi, nhưng tôi đã tìm kiếm trên Google trong nhiều giờ và không có kết quả gì. Bất kỳ ý tưởng?
Câu trả lời:
Ở mức thấp nhất (trong phần cứng), có, nếu s là đắt. Để hiểu tại sao, bạn phải hiểu cách thức hoạt động của đường ống .
Lệnh hiện tại được thực thi được lưu trữ trong một thứ thường được gọi là con trỏ lệnh (IP) hoặc bộ đếm chương trình (PC); các thuật ngữ này đồng nghĩa, nhưng các thuật ngữ khác nhau được sử dụng với các kiến trúc khác nhau. Đối với hầu hết các lệnh, PC của lệnh tiếp theo chỉ là PC hiện tại cộng với độ dài của lệnh hiện tại. Đối với hầu hết các kiến trúc RISC, các lệnh đều có độ dài không đổi, vì vậy PC có thể được tăng thêm một lượng không đổi. Đối với kiến trúc CISC chẳng hạn như x86, các lệnh có thể có độ dài thay đổi, do đó logic giải mã lệnh phải tìm ra lệnh hiện tại là bao lâu để tìm vị trí của lệnh tiếp theo.
Tuy nhiên, đối với các lệnh rẽ nhánh , lệnh tiếp theo được thực thi không phải là vị trí tiếp theo sau lệnh hiện tại. Các nhánh là gotos - chúng cho bộ xử lý biết lệnh tiếp theo ở đâu. Các nhánh có thể có điều kiện hoặc không có điều kiện và vị trí đích có thể cố định hoặc được tính toán.
Có điều kiện so với không điều kiện rất dễ hiểu - một nhánh có điều kiện chỉ được sử dụng nếu một điều kiện nhất định được giữ nguyên (chẳng hạn như một số có bằng một số khác); nếu nhánh không được thực hiện, điều khiển sẽ chuyển sang lệnh tiếp theo sau nhánh như bình thường. Đối với cành không điều kiện, cành luôn được lấy. Các nhánh có điều kiện hiển thị trong các ifcâu lệnh và các thử nghiệm điều khiển của forvà whilevòng lặp. Các nhánh không điều kiện hiển thị trong các vòng lặp vô hạn, lệnh gọi hàm, trả về hàm breakvà continuecâu lệnh, gotocâu lệnh khét tiếng , và nhiều thứ khác (những danh sách này chưa đầy đủ).
Mục tiêu chi nhánh là một vấn đề quan trọng khác. Hầu hết các nhánh đều có mục tiêu nhánh cố định - chúng đi đến một vị trí cụ thể trong mã được cố định tại thời điểm biên dịch. Điều này bao gồm các ifcâu lệnh, các vòng lặp thuộc tất cả các loại, các lệnh gọi hàm thông thường và nhiều thứ khác. Các nhánh được tính toán sẽ tính toán mục tiêu của nhánh trong thời gian chạy. Điều này bao gồm các switchcâu lệnh (đôi khi), trả về từ một hàm, các lệnh gọi hàm ảo và các lệnh gọi con trỏ hàm.
Vậy tất cả những điều này có ý nghĩa gì đối với hiệu suất? Khi bộ xử lý thấy một lệnh rẽ nhánh xuất hiện trong đường ống của nó, nó cần tìm cách tiếp tục lấp đầy đường ống của nó. Để tìm ra hướng dẫn nào xuất hiện sau nhánh trong luồng chương trình, cần biết hai điều: (1) nếu nhánh sẽ được thực hiện và (2) mục tiêu của nhánh. Việc tìm ra điều này được gọi là dự đoán nhánh và đó là một vấn đề đầy thách thức. Nếu bộ xử lý đoán đúng, chương trình sẽ tiếp tục ở tốc độ tối đa. Thay vào đó, nếu bộ xử lý đoán sai , nó chỉ dành một chút thời gian để tính toán sai. Bây giờ nó phải xả đường ống của nó và tải lại nó với các hướng dẫn từ đường dẫn thực thi chính xác. Điểm mấu chốt: một thành công lớn về hiệu suất.
Vì vậy, lý do tại sao các câu lệnh if lại đắt là do sự sai lệch của nhánh . Đây chỉ là mức thấp nhất. Nếu bạn đang viết mã cấp cao, bạn không cần phải lo lắng về những chi tiết này. Bạn chỉ nên quan tâm đến điều này nếu bạn đang viết mã cực kỳ quan trọng về hiệu suất trong C hoặc assembly. Trong trường hợp đó, viết mã không nhánh thường có thể vượt trội hơn mã nhánh, ngay cả khi cần thêm một số hướng dẫn. Có một số thủ đoạn mát-bit twiddling bạn có thể làm để tính toán những thứ như abs(), min()và max()không phân nhánh.
"Đắt" là một thuật ngữ rất tương đối, đặc biệt là liên quan đến ifcâu lệnh "" vì bạn cũng phải tính đến chi phí của điều kiện. Điều đó có thể bao gồm bất cứ nơi nào từ một vài hướng dẫn cpu ngắn cho đến kiểm tra kết quả của một hàm gọi ra cơ sở dữ liệu từ xa.
Tôi không lo lắng về điều đó. Trừ khi bạn đang làm lập trình nhúng, bạn có thể không nên lo lắng về chi phí của " if". Đối với hầu hết các lập trình viên, nó sẽ không bao giờ là yếu tố thúc đẩy hiệu suất ứng dụng của bạn.
Các nhánh, đặc biệt là trên bộ vi xử lý kiến trúc RISC, là một số lệnh đắt nhất. Điều này là do trên nhiều kiến trúc, trình biên dịch dự đoán đường dẫn thực thi nào sẽ được thực hiện nhiều nhất và đặt các hướng dẫn đó tiếp theo trong tệp thực thi, vì vậy chúng sẽ ở trong bộ nhớ cache của CPU khi rẽ nhánh xảy ra. Nếu nhánh đi theo hướng khác, nó phải quay trở lại bộ nhớ chính và tìm nạp các hướng dẫn mới - điều đó khá tốn kém. Trên nhiều kiến trúc RISC, tất cả các lệnh đều là một chu kỳ ngoại trừ nhánh (thường là 2 chu kỳ). Chúng tôi không nói về một chi phí lớn ở đây, vì vậy đừng lo lắng về nó. Ngoài ra, trình biên dịch sẽ tối ưu hóa tốt hơn bạn làm 99% thời gian: ) Một trong những điều thực sự tuyệt vời về kiến trúc EPIC (Itanium là một ví dụ) là nó lưu trữ (và bắt đầu xử lý) các lệnh từ cả hai phía của nhánh, sau đó loại bỏ tập mà nó không cần sau khi kết quả của nhánh là đã biết. Điều này giúp tiết kiệm truy cập bộ nhớ bổ sung của một kiến trúc điển hình trong trường hợp nó phân nhánh dọc theo đường dẫn không được bảo vệ.
Kiểm tra bài viết Hiệu suất Tốt hơn Thông qua Loại bỏ Nhánh trên Hiệu suất Tế bào. Một bài thú vị khác là bài đăng này về các lựa chọn không phân nhánh trên Blog phát hiện va chạm theo thời gian thực.
Ngoài các câu trả lời tuyệt vời đã được đăng để trả lời cho câu hỏi này, tôi muốn lưu ý rằng mặc dù các câu lệnh "if" được coi là các phép toán cấp thấp đắt tiền, cố gắng sử dụng các kỹ thuật lập trình không nhánh trong môi trường cấp cao hơn , chẳng hạn như ngôn ngữ kịch bản hoặc lớp logic nghiệp vụ (bất kể ngôn ngữ), có thể không phù hợp một cách kỳ cục.
Phần lớn thời gian, các chương trình nên được viết cho rõ ràng trước tiên và tối ưu hóa hiệu suất thứ hai. Có rất nhiều lĩnh vực vấn đề mà hiệu suất là tối quan trọng, nhưng thực tế đơn giản là hầu hết các nhà phát triển không viết các mô-đun để sử dụng sâu trong lõi của công cụ kết xuất hoặc mô phỏng động lực học chất lỏng hiệu suất cao chạy trong nhiều tuần liên tục. Khi ưu tiên hàng đầu là giải pháp của bạn để "chỉ hoạt động", điều cuối cùng trong đầu bạn nên là liệu bạn có thể tiết kiệm chi phí của một câu lệnh điều kiện trong mã của bạn hay không.
iftự nó không phải là chậm. Sự chậm chạp luôn là tương đối, tôi dám cá với cuộc đời mình rằng bạn chưa bao giờ cảm thấy "ngốn" của câu lệnh if. Nếu bạn định tạo một mã hiệu suất cao, bạn chắc chắn muốn tránh các nhánh. Điều làm cho ifchậm là bộ xử lý đang tải trước mã từ sau ifdựa trên một số heuristic và whatnot. Nó cũng sẽ ngăn đường ống thực thi mã trực tiếp sau lệnh ifrẽ nhánh trong mã máy, vì bộ xử lý chưa biết đường dẫn nào sẽ được thực hiện (trong bộ xử lý đường ống, nhiều lệnh được xen kẽ và thực thi). Mã được thực thi có thể phải được thực thi ngược lại (nếu nhánh khác được sử dụng. Nó được gọi là branch misprediction), hoặc noopphải được điền vào những nơi đó để điều này không xảy ra.
Nếu iflà ác, thì switchcũng là ác, và &&, ||cũng vậy. Đừng lo lắng về nó.
Ở cấp độ thấp nhất có thể ifbao gồm (sau khi tính toán tất cả các điều kiện tiên quyết cụ thể cho ứng dụng cụ thể if):
Chi phí liên quan đến điều đó:
Giải thích lý do tại sao các bước nhảy đắt tiền:
Vì vậy, tóm lại:
Các bộ xử lý hiện đại có đường ống thực thi dài có nghĩa là một số lệnh được thực hiện trong các giai đoạn khác nhau cùng một lúc. Họ có thể không phải lúc nào cũng biết kết quả của một lệnh khi lệnh tiếp theo bắt đầu chạy. Khi họ gặp phải một bước nhảy có điều kiện (nếu), đôi khi họ phải đợi cho đến khi đường dẫn trống trước khi họ có thể biết con trỏ lệnh sẽ đi theo hướng nào.
Tôi nghĩ về nó như một chuyến tàu chở hàng dài. Nó có thể chở rất nhiều hàng hóa nhanh chóng trên một đường thẳng, nhưng nó nghiêng góc xấu.
Pentium 4 (Prescott) có một đường ống dài nổi tiếng gồm 31 giai đoạn.
Thêm trên Wikipedia
Có thể việc phân nhánh giết chết việc tìm nạp trước lệnh CPU?
Cũng lưu ý rằng bên trong một vòng lặp không nhất thiết phải rất đắt tiền.
CPU hiện đại giả định khi lần đầu tiên truy cập câu lệnh if, rằng "if-body" sẽ được sử dụng (hay nói cách khác: nó cũng giả định một vòng lặp được thực hiện nhiều lần) (*). Sau lần truy cập thứ hai và các lần tiếp theo, nó (CPU) có thể nhìn vào Bảng Lịch sử Nhánh và xem tình trạng của lần trước như thế nào (nó đúng không? Nó sai?). Nếu lần trước nó là false, thì quá trình thực thi suy đoán sẽ tiếp tục đến "else" của if hoặc bên ngoài vòng lặp.
(*) Quy tắc thực sự là " nhánh tiến không được lấy, nhánh lùi được lấy ". Trong câu lệnh if, chỉ có một bước nhảy [chuyển tiếp] (đến điểm sau thân if) nếu điều kiện cho giá trị false (hãy nhớ rằng: CPU luôn giả định không thực hiện một nhánh / bước nhảy), nhưng trong một vòng lặp , có thể có một nhánh chuyển tiếp đến vị trí sau vòng lặp (không được lấy) và một nhánh lùi sau khi thay thế (được lấy).
Đây cũng là một trong những lý do tại sao lệnh gọi hàm ảo hoặc lệnh gọi hàm con trỏ không tệ hơn như nhiều người giả định ( http://phresnel.org/blog/ )
Như nhiều người đã chỉ ra, các nhánh có điều kiện có thể rất chậm trên một máy tính hiện đại.
Nói như vậy, có rất nhiều nhánh điều kiện không tồn tại trong câu lệnh if, bạn không thể luôn biết trình biên dịch sẽ đưa ra kết quả gì và lo lắng về việc các câu lệnh cơ bản sẽ mất bao lâu hầu như luôn là điều sai lầm. làm. (Nếu bạn có thể biết trình biên dịch sẽ tạo ra những gì một cách đáng tin cậy, bạn có thể không có trình biên dịch tối ưu hóa tốt.)
Điều duy nhất tôi có thể tưởng tượng điều này có thể đề cập đến thực tế là một ifcâu lệnh nói chung có thể dẫn đến một nhánh. Tùy thuộc vào các chi tiết cụ thể của kiến trúc bộ xử lý, các nhánh có thể gây ra tình trạng ngừng đường ống hoặc các tình huống khác ít hơn tối ưu.
Tuy nhiên, đây là tình huống cực kỳ cụ thể - hầu hết các bộ vi xử lý hiện đại đều có khả năng dự đoán rẽ nhánh nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của việc phân nhánh. Một ví dụ khác là cách kiến trúc ARM (và có thể là những kiến trúc khác) có thể xử lý logic có điều kiện - ARM có thực thi điều kiện ở mức chỉ lệnh, do đó, logic có điều kiện đơn giản dẫn đến không phân nhánh - các lệnh chỉ thực thi dưới dạng NOP nếu các điều kiện không được đáp ứng.
Tất cả những gì đã nói - hãy hiểu logic của bạn chính xác trước khi lo lắng về những thứ này. Mã không chính xác không được tối ưu hóa như bạn có thể nhận được.
CPU được kết nối sâu. Bất kỳ lệnh rẽ nhánh nào (if / for / while / switch / etc) có nghĩa là CPU không thực sự biết lệnh nào sẽ tải và chạy tiếp theo.
CPU hoặc ngừng hoạt động trong khi chờ đợi để biết phải làm gì, hoặc CPU đoán. Trong trường hợp của một CPU cũ hơn, hoặc nếu đoán sai, bạn sẽ phải gặp phải tình trạng ngưng trệ đường ống trong khi nó chạy và tải đúng lệnh. Tùy thuộc vào CPU, điều này có thể cao tới 10-20 lệnh có giá trị ngừng trệ.
Các CPU hiện đại cố gắng tránh điều này bằng cách thực hiện dự đoán rẽ nhánh tốt và bằng cách thực hiện nhiều đường dẫn cùng một lúc và chỉ giữ lại đường dẫn thực tế. Điều này giúp ích rất nhiều, nhưng chỉ có thể đi xa.
Chúc các bạn thành công trong lớp.
Ngoài ra, nếu bạn phải lo lắng về điều này trong cuộc sống thực, có thể bạn đang làm thiết kế hệ điều hành, đồ họa thời gian thực, máy tính khoa học hoặc thứ gì đó tương tự có sự ràng buộc về CPU. Hồ sơ trước khi lo lắng.
Viết chương trình của bạn theo cách rõ ràng nhất, đơn giản nhất, rõ ràng nhất mà rõ ràng là không hiệu quả. Điều đó làm cho việc sử dụng tốt nhất tài nguyên đắt tiền nhất, bạn. Có thể là viết hoặc sau đó gỡ lỗi (yêu cầu hiểu) chương trình. Nếu hiệu suất không đủ, hãy đo lườngcác nút thắt cổ chai ở đâu và xem cách giảm thiểu chúng. Chỉ trong những trường hợp cực kỳ hiếm hoi, bạn mới phải lo lắng về các hướng dẫn riêng lẻ (nguồn) khi làm như vậy. Hiệu suất là việc lựa chọn các thuật toán và cấu trúc dữ liệu phù hợp trong dòng đầu tiên, lập trình cẩn thận, có được một máy đủ nhanh. Sử dụng một trình biên dịch tốt, bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy kiểu tái cấu trúc mã mà một trình biên dịch hiện đại thực hiện. Tái cấu trúc mã cho hiệu suất là một loại biện pháp cuối cùng, mã trở nên phức tạp hơn (do đó khó sửa đổi hơn), khó sửa đổi hơn và do đó đắt hơn.
Một số CPU (như X86) cung cấp dự đoán nhánh cho cấp độ lập trình để tránh độ trễ dự đoán nhánh như vậy.
Một số trình biên dịch cho thấy (như GCC) chúng là một phần mở rộng cho các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn (như C / C ++).
Tham khảo các macro có thể () / không chắc () trong nhân Linux - chúng hoạt động như thế nào? Lợi ích của họ là gì? .
Tôi đã có cuộc tranh luận này với một người bạn của tôi một lần. Anh ta đang sử dụng một thuật toán vòng tròn rất ngây thơ, nhưng tuyên bố anh ta nhanh hơn của tôi (Loại chỉ tính 1/8 của vòng tròn) vì tôi đã sử dụng if. Cuối cùng, câu lệnh if đã được thay thế bằng sqrt và bằng cách nào đó điều đó nhanh hơn. Có lẽ vì FPU đã tích hợp sqrt?
Đắt nhất về cách sử dụng ALU? Nó sử dụng hết các thanh ghi CPU để lưu trữ các giá trị cần so sánh và mất thời gian để tìm nạp và so sánh các giá trị mỗi khi chạy câu lệnh if.
Do đó, tối ưu hóa điều đó là thực hiện một phép so sánh và lưu trữ kết quả dưới dạng một biến trước khi chạy vòng lặp.
Chỉ cố gắng giải thích những từ còn thiếu của bạn.