c++ - 为什么通过引用传递变量比全局定义变量慢？

Question

鉴于此代码:

#include <iostream>
#include <chrono>

typedef unsigned long long T;

namespace Benchmark
{
    T a, b;
    inline void L_Add() { a += b; b += a; }
    inline void Unroll_10() { L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); L_Add(); }
    inline void Unroll_100() { Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); Unroll_10(); }
    inline void Unroll_1000(T& a_, T& b_)
    {
        a = a_; b = b_;
        Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100(); Unroll_100();
        a_ = a; b_ = b;
    }
};

inline void L_Add(T& a, T& b) { a += b; b += a; }
inline void Unroll_10(T& a, T& b) { L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); L_Add(a, b); }
inline void Unroll_100(T& a, T& b) { Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); Unroll_10(a, b); }
inline void Unroll_1000(T& a, T& b) { Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); Unroll_100(a, b); }

int main()
{
    std::chrono::high_resolution_clock::time_point StartTime, EndTime;
    T a = 3;
    T b = 5;
    StartTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
        Benchmark::Unroll_1000(a, b);
    EndTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout << a << " : " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(EndTime - StartTime).count() / 2000.0 << "ns" << std::endl;

    a = 3;
    b = 5;
    StartTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
        Unroll_1000(a, b);
    EndTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout << a << " : " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(EndTime - StartTime).count() / 2000.0 << "ns" << std::endl;

    return 0;
}

这个输出:

12646046898197897264 : 0.3875ns
12646046898197897264 : 2.253ns

我想知道为什么“Benchmark::Unroll_1000(a, b)”的反汇编是:

add rax,rcx  
add rcx,rax 

而“Unroll_1000(a, b)”的反汇编为:

mov rax,qword ptr [rdx]  
add qword ptr [rcx],rax  
mov rax,qword ptr [rcx]  
add qword ptr [rdx],rax 

据我了解，他们应该生成相同的代码。有人可以启发我吗？在没有全局变量的情况下如何实现与“Benchmark::Unroll_1000(a, b)”相同的性能？

Answer 1

使用全局变量:编译器在编译时就知道变量所在的位置，并且可以直接使用该值。此外，您的编译器发现您使用了很多该变量并将其分配给寄存器，因此没有对 RAM 的加载/写入操作(这是真正的时间节省器)。

通过引用传递值:该方法传递一个指向变量实际位置的指针。它必须取消引用它并执行操作。此外，额外的操作可能意味着变量在内存中获取一个位置，因此必须加载/下载它。

在您的示例中，编译器可能足够聪明，可以生成相同的代码，因为它始终使用相同的实际值，但通常它不能假设编译后的代码将始终被调用(链接)来自相同的方法，因此生成的代码以“缓慢的方式”执行操作。