为什么我的Arduino从0到10亿的计算速度比我的MacBook Air快？

Question

这是我的MacBook Air在c++中的结果，执行时间为2.692秒

这是我的Arduino代码。它在'for'之前和之后获取微秒级别的时间。
差值为732微秒，即0.000732秒

- user1952219

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你运行的C++代码并不是唯一在运行的进程。 - user1786283

time = micros() 是如何工作的？难道不应该先存储第一个时间，然后从第二个时间中减去第一个时间吗？否则，你只是在读取一些随机数。在Arduino上运行需要多长时间？一千零一，一千零二... - Robert Harvey

你确定Arduino代码中的for循环不会被优化掉吗？ - Blastfurnace

是的，@Lucas，相对于Arduino版本而言，Macbook版本几乎肯定有很长的启动时间。你应该只测量两个版本中的循环部分，而不是整个程序。否则，就不是苹果和苹果的比较了。 - Robert Harvey

我将数字更改为4.000.000.000，花费了11.521秒，因此我认为问题不仅仅是“代码初始化”。 - user1952219

Answer 1

让我们看看在调试模式下，MSVC如何编译您的代码，因为您似乎正在编译它...

unsigned int max = 1000000000L;
    011643BE  mov         dword ptr [max],3B9ACA00h  
for (unsigned int i=0; i<max; i++)
    011643C5  mov         dword ptr [ebp-14h],0  
    011643CC  jmp         main+37h (011643D7h)  
    011643CE  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
    011643D1  add         eax,1  
    011643D4  mov         dword ptr [ebp-14h],eax  
    011643D7  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
    011643DA  cmp         eax,dword ptr [max]  
for (unsigned int i=0; i<max; i++)
    011643DD  jae         main+4Eh (011643EEh)  
{
    n++;
    011643DF  mov         eax,dword ptr ds:[0116F218h]  
    011643E4  add         eax,1  
    011643E7  mov         dword ptr ds:[0116F218h],eax  
}
011643EC  jmp         main+2Eh (011643CEh)  

好的，现在让我们在发布模式下看一下...

unsigned int max = 1000000000L;
for (unsigned int i=0; i<max; i++)
    00FC1270  mov         eax,dword ptr ds:[00FC4430h]  
{
    n++;
}
std::cout << n;
    00FC1275  mov         ecx,dword ptr ds:[0FC3030h]  
    00FC127B  add         eax,3B9ACA00h  
    00FC1280  push        eax  
    00FC1281  mov         dword ptr ds:[00FC4430h],eax  
    00FC1286  call        dword ptr ds:[0FC3038h] 

注意到区别了吗？发布模式已经完全优化掉了循环。

好的，现在让我们换个角度来看看Arduino是如何做到这一点的。准备好一些AVR汇编代码...

for(i=0; i<1000000000; i++)
{
 n++;
}
Serial.println(n);
    d8: c8 01           movw    r24, r16
    da: 40 e0           ldi r20, 0x00   ; 0
    dc: 5a ec           ldi r21, 0xCA   ; 202
    de: 6a e9           ldi r22, 0x9A   ; 154
    e0: 7b e3           ldi r23, 0x3B   ; 59
    e2: 2a e0           ldi r18, 0x0A   ; 10
    e4: 30 e0           ldi r19, 0x00   ; 0
    e6: 0e 94 c4 04     call    0x988   ; 0x988 <_ZN5Print7printlnEli>

哇！它还将循环优化了！编译器真是个聪明的小家伙，不是吗？！？！

……如果你认真想一想，执行那么长的循环只需要0.0007秒有点太快了吧？只有大约43个时钟周期的时间——勉强足够调用Serial.println()。

- Sean Cline

Answer 2

首先，你编写的代码非常简单。这样的代码编译的结果将根据编译器和编译器设置而变化。一个正确配置的优化编译器通常会将其编译成n的最终值的普通赋值，而不需要任何循环。或者甚至可以完全消除n。在这种情况下，你实际上测量的是“空虚的”：一个几乎什么也不做的程序的启动和结束时间。

其次，你使用的测量方法在两个代码版本之间似乎完全不同。在第一个案例中，你似乎在使用系统级别的东西，这意味着它可能包括各种启动和包装时间到最终总数中。在第二个案例中，你将测量嵌入到实际代码中，确保只测量了循环（而这循环很可能被编译器消除）。

换句话说，你正在使用不一致的方法来计时可能根本不存在的内容。你得到的结果与代码性能几乎没有关系，更有可能毫无意义。

- AnT stands with Russia

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你说得对，我会尝试在这两个代码中使用相同的测量方法，但是看看：我将数字改为了4.000.000.000，它花费了11.521秒才能运行。假设有2秒钟只是用于初始化库。这会有很大的差别，你觉得呢？谢谢！ :) - user1952219

@Lucas Zanella：如果某个平台上的代码对迭代次数敏感，那么这意味着循环没有被消除。要么编译器不够智能，要么编译设置阻止了优化。你确定另一个平台上的编译器行为相同吗？另一个平台是否也对迭代次数敏感？ - AnT stands with Russia

我要试一下。谢谢！ - user1952219

Answer 3

安德烈T已经给出了相关的技术解释，但是这里有一个快速而不太准确的估计，可以帮助找到正确的方向：

假设Arduino实际上在大约一毫秒（730微秒）内完成了10亿（1e9）次增量，并且忽略额外的增量并检查循环计数器以及跳转指令，那么这意味着Arduino可以以至少1e12 Hz的频率处理增量，即1000 GHz（请注意，这是对已处理的增量指令频率的估计，不一定等同于“CPU频率”，但在没有任何其他信息的情况下，这是一个相当好的估算器）。不太可能。因此，可以认为您的Arduino编译器简单地消除了整个循环。

（对于您的MacBook的相同估计至少需要（1e9 / 2.7）Hz的频率，因此大约有370Mhz的增量 - 考虑到操作系统开销和循环需要额外的增量，跳转和比较，这与您的处理器频率相当接近，因此我猜测您的Mac程序编译器实际上保留了循环。）

- us2012