性能优化---指令预取

发表于 分类于 ， 阅读次数： 阅读次数： 本文字数： 1.8k 阅读时长 ≈ 2 分钟

指令预取: 是指提前将所需要的数据取出来，在使用时可用。

具体方法就是在不命中时，当数据从主存储器中取出送往CPU的同时，把主存储器相邻几个单元中的数据（称为一个数据块）都取出来送入Cache中。

CPU在cache不命中的情况下，将从内存读取一个连续的cacheline大小数据。

  • 如果访问数据地址连续，CPU产生Cache不命中的情况少，省时
  • 如果访问数据地址不连续，CPU产生的Cache不命中的情况多，耗时

示例–矩阵乘法

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <time.h>

#if __aarch64__
  #define nop asm("nop")
#else
  #define nop
#endif

int main(int argc, const char *argv[])
{
    unsigned long i, j, k;
    int N = 700;
    int res[N][N], mul1[N][N], mul2[N][N];
    clock_t start, end;
    long time1 = 0, time2 = 0;

    for (i = 0; i < N; ++i) {
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            mul1[i][j] = (i + 1) * j;
            mul2[i][j] = i * j;
        }
    }

    start = clock();
    /* mul2的地址空间不是连续的
     * 初始化时mul2[0][x], 一行一行赋值，地址连续
     * 执行读取mul2[x][0], 一列一列读取，地址不连续*/
    nop;nop;nop;
    for (i = 0; i < N; ++i) {
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            for (k = 0; k < N; ++k) {
                // 行 x 列
                res[i][j] += mul1[i][k] * mul2[k][j];
            }
        }
    }
    nop;nop;nop;
    end = clock();
    time1 = end - start;
    printf("Run Time1 %f s\n", (double)time1 / CLOCKS_PER_SEC);

    int tmp[N][N];
    for (i = 0; i < N; ++i) {
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            mul1[i][j] = (i + 1) * j;
            mul2[i][j] = i * j;
        }
    }

    start = clock();
    // 矩阵转换，列变换（列变行）
    for (i = 0; i < N; ++i) {
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            tmp[i][j] = mul2[j][i];
        }
    }
    /* CPU读取连续的tmp地址时，使用指令预取（硬件）
     * DCache 命中效率*/
    nop;nop;nop;
    for (i = 0; i < N; ++i) {
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            for (k = 0; k < N; ++k) {
                res[i][j] += mul1[i][k] * tmp[j][k];
            }
        }
    }
    nop;nop;nop;
    end = clock();
    time2 = end - start;
    printf("Run Time2 %f s\n", (double)time2 / CLOCKS_PER_SEC);

    printf("Time2 and Time1 upgrade %f %\n", (double)(time1 - time2) / time1 * 100);

    return 0;
}
  • 结果–arm平台
1
2
3
4
[shell@localhost:/]$ ./prefetch
Run Time1 5.966075 s
Run Time2 4.530201 s
Time2 and Time1 upgrade 24.067314 %

代码运行速度提升24%

结论

  • Cache命中率
  • 乘法运算与赋值运算的效率