Ako môžem optimalizovať svoj kód pre rýchle matematické výpočty pomocou kompilátora GCC?

Optimalizácia kódu pre rýchle matematické výpočty s GCC zahŕňa niekoľko stratégií, zameranie rôznych aspektov procesu kompilácie a samotného kódu. Tu je rozdelenie efektívnych techník:

1. Príznaky kompilátora:

Toto sú najúčinnejšie optimalizácie. Pridáte ich do svojho príkazového riadku kompilácie (napr. `G ++ -O3 -FFAST -MATH ...`).

* `-o`,` -o2`, `-o3`,` -ofast`: Tieto príznaky riadia úroveň optimalizácie. `-O` je základná optimalizácia,` -o2` je dobrá rovnováha rýchlosti a času kompilácie, `-o3` je agresívna optimalizácia a„ -Ofast` umožňuje ešte agresívnejšie optimalizácie, čo potenciálne porušuje IEEE 754 štandardy pre aritmetiku s pohyblivou čiarkou (pozri nižšie). Začnite s `-o2` alebo` -o3`, pokiaľ nemáte konkrétne dôvody, na ktoré sa nemáte.

* `-ffast-math`: To je rozhodujúce pre rýchlu matematiku. Umožňuje niekoľko ďalších optimalizácií, ktoré môžu výrazne urýchliť výpočty, ale môže ohroziť prísnu presnosť požadovanú IEEE 754:

* Presvedčenie operácií: GCC môže usporiadať výpočty na zlepšenie účinnosti, aj keď mierne zmení výsledok v dôsledku obmedzení presnosti s pohyblivou rádovou čiarkou.

* Používanie rýchlejšie, ale menej presných matematických funkcií: Môže nahradiť štandardné matematické funkcie (napríklad `sin`,` cos`, `exp`) s rýchlejšími aproximáciami.

* Predpoklady, že operácie sú asociatívne a distribučné: To umožňuje ďalšie usporiadanie a zjednodušenie.

* Relaxačné prísne aliasingové pravidlá: To môže pomôcť kompilátorovi dosiahnuť lepšie optimalizácie v rôznych typoch údajov.

* `-march =natívne: Tento príznak povie kompilátorovi, aby vygeneroval kód špecificky optimalizovaný pre vašu architektúru CPU. Využíva konkrétne pokyny a funkcie vášho procesora, čo vedie k výraznému zlepšeniu rýchlosti. Uvedomte si, že kód zostavený s touto vlajkou nemusí byť prenosný pre iné architektúry.

in Tieto príznaky povoľujú podporu pre konkrétne inštrukcie SIMD (jednotlivé inštrukcie, viac údajov). Pokyny SIMD umožňujú paralelné spracovanie viacerých dátových prvkov, čo dramaticky urýchľuje mnoho matematických operácií. Použite príznaky, ktoré zodpovedajú schopnostiam vášho procesora.

2. Optimalizácia na úrovni kódu:

Aj pri agresívnych príznakoch kompilátorov je pre optimálny výkon nevyhnutný dobre napísaný kód.

* Používajte príslušné typy údajov: Vyberte najmenší typ údajov, ktorý môže reprezentovať vaše údaje bez straty presnosti. Napríklad, použite „float` namiesto` Double`, ak je dostatočná presnosť s jednou presnosťou.

* Vektorizácia: Štruktúrujte svoje slučky a údaje, aby umožnil kompilátorovi ich ľahko vektorovať. To znamená spracovanie viacerých dátových prvkov súčasne pomocou pokynov SIMD. Automatické vektorovanie spoločnosti GCC je celkom dobrá, ale možno jej budete musieť pomôcť pomocou zarovnaného alokácie pamäte a zabezpečením nezávislých iterácií slučky.

* matematické identity a algoritmy: Používajte efektívne matematické identity a algoritmy. Napríklad použitie `exp2 (x)` namiesto `exp (x)` môže byť rýchlejšie, pretože prvý je optimalizovaný špeciálne pre právomoci 2. Zvážte špecializované knižnice pre operácie matíc (napríklad Eigen alebo BLAS).

* slučka rozvoj: Manuálne rozvíjajte slučky (opakovanie tela slučky viackrát) na zníženie slučky nad hlavou, ale pamätajte na registračný tlak. Kompilátor už môže vykonať túto optimalizáciu, takže otestujte pred a po.

* vzory prístupu k pamäti: Usporiadajte údaje v pamäti, aby ste minimalizovali vynechanie vyrovnávacej pamäte. Prístup k údajom postupne, kedykoľvek je to možné.

* Funkcia InLINING: Pre malé, často nazývané funkcie zvážte použitie kľúčového slova „Inline` na zníženie režijných nákladov na volanie funkcie. Kompilátor sa môže rozhodnúť, že sa napriek tomu nebude vinný na základe svojej vlastnej optimalizačnej analýzy.

3. Knižnice:

* Optimalizované matematické knižnice: Používajte knižnice ako Eigen (pre lineárnu algebru), BLAS (základné lineárne algebrové podprogramy) a lapack (balík lineárnych algebra). Sú vysoko optimalizované pre rôzne architektúry a často prekonávajú ručne napísané kód.

4. Profilovanie:

Po aplikácii optimalizácií použite profil (napríklad „GPROF` alebo PERF) na identifikáciu prekážok výkonu. To vám pomôže zamerať vaše úsilie na časti vášho kódu, ktoré sú najdôležitejšie.

Dôležitá poznámka na `-ffast-math`:

Zatiaľ čo `-fast-Math` ponúka významné zvýšenie výkonu, môže to viesť k nepresnostiam. Ak vaše výpočty vyžadujú prísne dodržiavanie štandardov IEEE 754 (napr. Vo vedeckých výpočtoch alebo finančných aplikáciách), vyhnite sa použitiu tohto príznaku alebo starostlivo overte výsledky proti neoptimalizovanej verzii.

Príkaz Príkaz kompilácie:

`` `Bash

g ++ -o3 -ffast -math -March =natívne -mavx2 my_math_program.cpp -o my_math_program

`` `

Nezabudnite prispôsobiť príznaky svojmu konkrétnemu procesoru a presným požiadavkám vašej aplikácie. Vždy profil a referenčné miesto, aby ste zaistili, že vaše optimalizácie skutočne zlepšia výkon.

• Predchádzajúca strana: Ako sa používa memoizácia v dynamických programovacích algoritmoch? 
• Ďalšia strana: Keď program začne, adresa pamäte prvého pokynu sa čiastočne umiestni riadiaca jednotka mikroprocesorov nazývaná (n).?