比较Fortran和C++汇编程序的int=楼层(sqrt(…))

Question

我用Fortran和C++各实现了一个函数：

#include <math.h>

void dbl_sqrt_c(double *x, double *y){
   *y = sqrt(*x - 1.0);
   return;
}

pure subroutine my_dbl_sqrt(x,y) bind(c, name="dbl_sqrt_fort")
   USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING
   implicit none
   real(kind=c_double), intent(in)  :: x
   real(kind=c_double), intent(out) :: y

   y = sqrt(x - 1d0)
end subroutine my_dbl_sqrt

我在编译器资源管理器中对它们进行了比较：

Fortran:https://godbolt.org/z/froz4rx97
C++:https://godbolt.org/z/45aex99yz

我读汇编程序的方式，它们做的基本上是一样的，但是C++检查sqrt的参数是否为负数，而Fortran没有。我用googles的基准比较了他们的表现，但他们相当势均力敌：

--------------------------------------------------------
Benchmark              Time             CPU   Iterations
--------------------------------------------------------
bm_dbl_c/8          2.07 ns         2.07 ns    335965892
bm_dbl_fort/8       2.06 ns         2.06 ns    338643106

这里是有趣的部分。如果我将其转化为基于整数的函数：

void int_sqrt_c(int *x, int *y){
   *y = floor(sqrt(*x - 1.0));
   return;
}

而且

pure subroutine my_int_root(x,y) bind(c, name="int_sqrt_fort")
   USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING
   implicit none
   integer(kind=c_int), intent(in)  :: x
   integer(kind=c_int), intent(out) :: y

   y = floor(sqrt(x - 1d0))
end subroutine my_int_root

这就是他们开始分道扬镳的地方：

--------------------------------------------------------
Benchmark              Time             CPU   Iterations
--------------------------------------------------------
bm_int_c/8          3.05 ns         3.05 ns    229239198
bm_int_fort/8       2.13 ns         2.13 ns    328933185

Fortran代码似乎并没有因为这个变化而显着地变慢，但是C++代码却变慢了50%。这看起来挺大的。这些是程序集：

Fortran:https://godbolt.org/z/axqqrc5e1
C++:https://godbolt.org/z/h7k75okbn

Fortran程序集看起来很简单。它只是增加了double和int之间的转换，其他没有什么，但C++似乎做了更多的事情，这一点我不完全理解。

为什么C++汇编程序要复杂得多？我如何改进C++代码以获得匹配的性能？

Answer 1

TL；DR：您被错误的默认值和与过时机器的兼容性所困扰：错误的默认值是浮点计算的gcc设置errno（尽管C语言不需要这样做），以及与没有比SSE2更好的SSE指令的x86机器的兼容性。如果希望生成体面的代码，请将-fno-math-errno-msse4添加到编译器标志中。

包含浮点硬件的现代处理器体系结构通常提供平方根计算作为基本操作（指令），如果平方根指令的操作数超出范围（负），则在浮点环境中设置错误标志。另一方面，旧的指令集体系结构可能没有浮点指令，或者没有硬件加速的平方根指令，因此C语言允许实现将errno设置在超出范围的参数上，但是errno作为线程本地内存位置实际上阻止了任何sane体系结构直接从平方根指令设置errno。为了获得良好的性能，gcc通过调用硬件指令(sqrtsd)内联了平方根计算，但是为了设置errno，它单独检查参数的符号，并且仅在参数为负的情况下调用库函数，因此库函数可以设置errno。是的，这是疯狂的，但反过来也是正常的。您可以通过在编译器标志中设置-fno-math-errno来避免这种没有人需要或想要的脑损伤。

最近的x86-64处理器拥有比AMD最初开发的x86-64（仅包含SSE2向量/浮点指令）更多的指令。在添加的指令中包括允许受控舍入/截断的浮点/整数转换指令，因此这不必在软件中实现。通过指定支持这些指令的目标，例如使用-msse4编译器标志，可以让gcc使用这些新指令。请注意，如果生成的程序运行在不支持这些指令的目标上，这将导致生成的程序出错，因此生成的程序的可移植性会较低（尽管这不会明显降低源代码的可移植性）。