无法解释C++性能

Question

如果您有一个永远不变且始终为零的变量A、一个函数F、一个函数G和一个函数H，并在具有-O3优化的现代英特尔台式机处理器上调用以下代码，然后在现代版本的GCC上执行以下操作：

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
if(A != 0) F();
else G();
}

执行时间为2秒。请注意，F永远不会被调用，因为A始终为0。或者，

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
if(A != 0) H();
else G();
}

仅需1秒即可执行。同样，A始终为0，而H永远不会被调用。最后，

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
G();
}

仅需0.5秒即可执行。

给定前两个示例中的条件语句，为什么F和H的内容很重要？既然它们从未被调用过，为什么它们做什么会有什么不同呢？考虑到Intel处理器有复杂的分支预测，难道处理器不应该知道G()总是被调用的，甚至不会在条件语句上浪费时间吗？我知道条件指令应该会浪费一些时间，但我不明白为什么它会浪费这么多时间。

Answer 1

假设编译器理解A是一个常量，它应该将以下代码转换为：

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
    if(A != 0) F();
    else G();
}

如下所示：

if(A != 0)
    for(i = 0; i < a_big_number; ++i)
        F();
else
    for(i = 0; i < a_big_number; ++i)
        G();

或者，如果一个常量看起来是一个编译时常量，则完全优化F()函数调用。

如果没有发生这种情况(例如，可能存在副作用或其他-编译器不能保证它如何优化以及优化了什么)，循环将遇到来自分支错误预测的性能影响。如果A没有改变，并且被调用的函数足够小，那么CPU应该锁定循环并记住分支，这样它就不会一遍又一遍地重复同样的错误。另一方面，循环可能会被展开，这可能会带来很大的伤害，因为它不能并行化，只会破坏代码大小和CPU必须跟踪的许多事情。

但是，你如何测量执行时间对我来说是一个谜，以及你在循环中调用的函数是做什么的。例如，您可以测量进程执行换出。因此，除非您提供一个完整的工作示例，并详细解释您的测量方法，否则不可能告诉您发生了什么。

无论如何，我打赌您的时间度量是不正确的，或者您在没有显示的代码中做了一些不好的事情，或者以上所有情况。

Answer 2

据我所知，编译器不能确定分支是否不会执行。编译器所能做的最好的事情就是预测哪个分支更有可能。