布尔比较的效率？在C中

Question

我正在用C语言编写一个循环，想要优化一下。虽然这里并不是非常关键，因为我只是在练习，但为了更进一步的知识，我想知道：

例如以下代码片段的循环：

int i = 0;
while (i < 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

处理器在每次迭代时都会检查两个条件：(i < 10)和(i == 10)吗？还是只检查(i < 10)，如果为真，就继续执行？

如果同时检查两个条件，那么不会造成额外的开销吗？

int i = 0;
while (i != 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

想要更高效吗？

谢谢！

- Wolfin

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如果你在循环中使用"printf"，那么布尔比较的成本将会微不足道，并且根本不重要。printf是一项相当昂贵的操作。 - Ira Baxter

它几乎肯定没有区别，但真正的问题是：你为什么在意？你是否在程序中识别出需要优化此类操作的性能热点？如果是这样，请发布有关您的性能问题的更多详细信息。 - Paul R

@Ira Baxter：这只是一个例子，但知道这点很好！ - Wolfin

@Wolfin：可能不需要 - 循环的成本与循环内部的内容相比微不足道，除非你在循环内执行的操作非常简单。另外，你应该了解过早优化的危害，例如：http://en.wikipedia.org/wiki/Program_optimization#When_to_optimize. - Paul R

@Wolfin：听起来你应该发布你的统计分析代码，并问如何进行优化。 - Ira Baxter

Answer 1

这两个值将会在一条汇编指令中被翻译。大多数CPU都有比较指令，包括小于、小于等于、等于和不等于。

- mouviciel

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好的，这解决了我的问题。但是它似乎有些不对劲...按位地看，两个比较不能同时进行，对吗？我想这无关紧要。 - Wolfin

当然可以。这些比较涉及到两个标志位。Z标志表示结果为0，N标志表示结果为负数。将这两个标志位组合起来构建所有比较指令的逻辑粘合剂是廉价的。顺便说一下，你有没有注意到，对于所有位，两个64位整数的相加是同时进行的？ - mouviciel

@wolfin：实际上，看看mouviciel的回答吧。他的回答比我的好。 - slebetman

@Wolfin - 那是一个好问题。答案是，当执行操作时，CPU通常会设置一系列标志位，并且CPU可以查询其中多个标志位来决定是否进行分支。例如，在比较i和10时，编译器通常会执行减法操作，如果一个操作数小于另一个，则会设置进位标志，如果操作数相等，则会设置零标志。通过如果设置了进位或零标志中的任意一个，就可以做出小于或等于的判断，这可以在单个指令中完成。 - Michael Burr

@slebetman：可能在两种情况下都会检查是否等于10，但是在一种情况下使用了“如果负则跳转”，而在另一种情况下使用了“如果负或零则跳转”，就像@Michael Burr所说的那样。 - Vatine

Answer 2

关于这些优化问题的有趣之处在于，它们经常显示出为何应该先编写清晰/正确的代码再考虑这些操作的性能影响（这往往没有任何区别）。

您的两个示例循环的行为不同：

int i = 0;
/* this will print 11 lines (0..10) */
while (i <= 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

同时，

int i = 0;
/* This will print 10 lines (0..9) */
while (i != 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

回答你的问题，几乎可以肯定两种结构的性能是相同的（假设你修复了问题，使循环计数相同）。例如，如果您的处理器只能分别检查相等和一个值是否小于另一个值（这将是非常不寻常的处理器），那么编译器可能会将 (i <= 10) 转换为 (i < 11) 测试 - 或者可能是一个 (i != 11) 测试。

- Michael Burr

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啊，打错字了。已经修复了。 - Wolfin

Answer 3

这是早期优化的一个清晰例子......在我看来，新手程序员往往太容易担心这些问题。如果你必须要担心它，那就学会基准测试和剖析你的代码，这样你的担忧就是基于证据而不是推测的。

针对你的具体问题，首先，在我的职业生涯中，任何一个C编译器都没有把“<=”实现为两个单独测试“<”和“==”的操作。包括一些非常愚蠢的编译器。注意，对于整数，“a <= 5”是与“a < 6”相同的条件，如果目标架构要求仅使用“<”，那么代码生成器将执行该操作。

你的第二个问题，即“while（i！=10）”可能更有效率，引发了一个有趣的防御性编程问题。首先，在任何合理的目标架构下，它都不会更有效率。然而，它提高了一个小错误可能导致更大失败的潜在风险。考虑这种情况：如果循环体内的某行代码修改了“i”，比如使其大于10，会发生什么？循环需要多长时间才能结束？是否会有其他后果？

最后，当想到这种事情时，通常值得找出你正在使用的编译器实际生成的代码。大多数编译器都提供这样的机制。对于GCC，请了解“-S”选项，它将直接产生汇编代码而不是生成目标文件。

- RBerteig

Answer 4

在汇编语言中，运算符<=和<是一条单独的指令，因此在性能上不应有差别。 需要注意的是，在某些处理器上，测试0可能比测试其他常量更快一些，因此可以合理地使循环向后运行：

int i = 10;
while (i != 0) 
{
    printf("%d\n", i);
    i--;
}

请注意，这样微小的优化通常只能为您带来非常少的性能提升，最好利用时间使用高效算法。

- codymanix

Answer 5

// Case I

int i = 0; 
while (i < 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

// Case II

int i = 0;
while (i < 10) {
    printf("%d\n", i);
    i++;
}

情况一的代码需要更多的空间，但速度快；情况二的代码需要较少的空间，但相对情况一的代码而言速度较慢。 因为在编程中，空间复杂度和时间复杂度总是成比例的。这意味着你必须在空间和时间之间做出权衡。
因此，你可以优化时间复杂度或空间复杂度，但不能同时兼顾两者。

而你的两个代码是相同的。

- Anand Kumar

Answer 6

取决于体系结构和编译器。在大多数结构中，有一个单一指令用于 <= 或相反的操作，可以进行否定，因此如果将其转换为循环，则比较很可能只有一个指令。（在 x86 或 x86_64 上，它是一个指令）

编译器可能会将循环展开成十次 i++ 的序列，当涉及到常量表达式时，它甚至会优化掉 ++ 并只留下常量。

而且 Ira 是正确的，如果涉及到 printf，那么比较就会消失，而执行时间可能是数百万个时钟周期。

- Gunther Piez

Answer 7

处理器会检查每次迭代中的(i < 10)和(i == 10)吗？还是只检查(i < 10)，如果为真，就继续执行？

不是这两者，它很可能会检查(i < 11)。<= 10只是为了让您的代码更有意义，因为11是一个magic number，实际上表示(10+1)。

- slebetman

Answer 8

我正在用C语言编写一个循环，想知道如何进行一些优化。

如果你打开优化编译选项，最大的优化将来自于展开循环。

使用-O2对代码进行分析可能会比较困难，因为对于简单的函数，编译器会展开循环，你将无法测试实际比较中的差异。在测试使用常量的测试用例时，应该注意这些常量在编译器优化后可能使代码变得微不足道。

- Bradley Kreider

Answer 9

反汇编。根据处理器、优化和一些其他因素，这个简单的示例代码实际上会展开或执行与您真正问题无关的操作。使用gcc -O1编译，您提供的两个示例循环都会生成相同的汇编代码（对于arm而言）。

C代码中的小于符号通常会转换为分支（如果大于等于循环的远端）。如果您的处理器没有大于等于，则可能有一个大于分支和一个等于分支，即两个指令。

通常情况下，将会有一个寄存器保存变量i，然后有一条指令来增加i的值。然后会有一条指令来将i与10进行比较，判断是否相等、大于等于或小于一般都可以在单个指令中完成，因此您通常不应该看到差异。

- old_timer