C++ signed 和 unsigned int 与 long long 速度

Question

今天，我注意到几个简单的按位和算术运算的速度在int之间有显着差异。 , unsigned , long long和 unsigned long long在我的 64 位电脑上。

特别是，对于 unsigned，以下循环的速度大约是其两倍至于long long ，这是我没想到的。

int k = 15;
int N = 30;
int mask = (1 << k) - 1;
while (!(mask & 1 << N)) {
    int lo = mask & ~(mask - 1);
    int lz = (mask + lo) & ~mask;
    mask |= lz;
    mask &= ~(lz - 1);
    mask |= (lz / lo / 2) - 1;
}

(完整代码 here )

以下是计时(以秒为单位)(对于 g++ -O、-O2 和 -O3):

1.834207723 (int)
3.054731598 (long long)
1.584846237 (unsigned)
2.201142018 (unsigned long long)

这些时间非常一致(即 1% 的差值)。 没有 -O flag，每个都慢一秒左右，但是相对速度是一样的。

这有明确的理由吗？ 向量化可能适用于 32 位类型，但我看不到巨大的位置 long long之间的区别和 unsigned long long来自。 有些操作在某些类型上比在其他类型上慢得多吗？ 还是 64 位类型较慢(即使在 64 位架构上)只是普遍现象？

对于那些感兴趣的人，这个循环遍历了 {1,2,...,30} 的所有子集。恰好有 15 个元素。这是通过循环(按顺序)所有小于 1<<30 的整数来完成的。恰好设置了 15 位。 对于当前情况，这是 155117520迭代。 我不知道这个片段的来源了，但是this帖子解释了更多。

编辑

从汇编代码看来，当类型是无符号时，除法可以更快。我认为这是有道理的，因为我们不必考虑符号位。

此外，32 位操作使用 movl及其他xxxl指示， 而 64 位操作使用 movq和 xxxq .

编辑2

阅读我链接的帖子后，我决定使用那里给出的公式:

T k = 15;
T N = 30;
T mask = (1 << k) - 1;
while (!(mask & 1 << N)) {
    T t = mask | (mask - 1);
    mask = (t + 1) | (((~t & -~t) - 1) >> (__builtin_ctz(mask) + 1));
}

它的运行时间大约是上面发布的代码的三分之一，并且对所有四种类型使用相同的时间。

Answer 1

你代码中最慢的操作是

mask |= (lz / lo / 2) - 1

32 位除法比 64 位除法快得多。例如，在 Ivy Bridge 上，32 位 IDIV 需要 19-26 个时钟，而 64 位 IDIV 需要 28-103 个时钟延迟。

无符号版本也比有符号版本快，因为在无符号情况下除以 2 只是简单的位移，并且没有大小扩展调用(CDQ、CQO)。

在无符号的情况下是简单的位移，而在有符号的情况下

[1] http://www.agner.org/optimize/instruction_tables.pdf