为什么gcc的输出比的(对于这段代码)慢得多？

Question

当我在一个定期更新的Ubuntu16.04 64位上编译下面的代码时，使用gcc

gcc source.c -O3 --fast-math

可执行文件需要大约45秒的CPU时间来运行。但是在同一台机器上，在Windows 7 64位上，在发布模式下使用Visual 2012，运行CPU时间不到10秒。造成这种差异的主要原因是什么？gcc的优化方案还不够多吗？Visual的编译器是更好的吗？还是别的什么？

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <time.h>

#define Nx 1000

int main()
{
    double d = 0.015e-2;        // meter
    double V0 = 400;            // volt
    double De = 1800e-4;        // m^2 per sec
    double mu_e = 2.9e1 / 760;  // m^2 per volt sec
    double n0 = 1e19;           // per m^3
    double e_eps = 1.602e-19 / 8.854e-12;
    double ne[Nx], je[Nx], E[Nx];
    double dx = d / (Nx - 1);
    double dt = 1e-14;          // s
    const int Nt = 500000;
    int i, k;
    double sum;
    FILE *fp_ne, *fp_E;
    double alpha, exp_alpha, R;
    int ESign = -1;
    clock_t start_t, end_t;

    start_t = clock();
    // initialization
    for (i = 1; i < Nx; i++)
        ne[i] = n0;
    ne[0] = 1e-4 * n0;

    for (i = 0; i < Nx; i++)
        E[i] = -V0 / d;

    // time loop
    for (k = 0; k < Nt; k++)
    {
        if (k%1000==0) printf("k = %d\n", k);
        for (i = 0; i < (Nx-1); i++)
        {
            alpha = mu_e*dx*E[i]/De;
            exp_alpha = exp(alpha);
            R = (exp_alpha-1)/alpha;
            je[i] = (De/(dx*R))*(ne[i]-exp_alpha*ne[i+1]);
        }

        for (i = 1; i < (Nx - 1); i++)
            ne[i] += -dt/dx*(je[i] - je[i-1]);
        ne[Nx - 1] = ne[Nx - 2];

        sum = 0;
        for (i = 0; i < (Nx - 1); i++)
            sum += dx*je[i];
        for (i = 0; i < (Nx - 1); i++)
        {
            E[i] += -dt*e_eps*(sum / d - je[i]);
            if (E[i]>=0) ESign=+1;
        }
        if (ESign==1) break;
    }

    // output
    printf("time=%e\n",k*dt);
    fp_ne = fopen("ne.txt", "w");
    fp_E = fopen("E.txt", "w");
    fprintf(fp_ne, "# x (cm)\tne(per cm^3)\n");
    fprintf(fp_E,  "# x (cm)\tE(V/cm)\n");
    for (i = 0; i < Nx; i++)
        fprintf(fp_ne, "%f\t%e\n", i*dx*100,ne[i]/1e6);
    for (i = 0; i < Nx-1; i++)
        fprintf(fp_E, "%f\t%e\n", i*dx*100, fabs(E[i])/1e2);
    fclose(fp_ne);
    fclose(fp_E);
    end_t = clock();
    printf("CPU time = %f\n", (double)(end_t - start_t) / CLOCKS_PER_SEC);
}

Answer 1

我做的第一件事就是注释掉循环中的I/O。

//if (k%1000==0) printf("k = %d\n", k);

我得到了以下的时间，只有那个变化。最后的fprintf调用确实会对时间产生显著的影响，但不会影响到它们之间的相对差异，所以我不打算再测量所有这些。

我在我的i5 (所有这些都是用标准-O2编译的)上得到了这些时间：

• GCC 7.1： CPU时间= 23.459520
• Clang 4.0.1： CPU时间= 22.936315
• 英特尔17.0.4： CPU时间= 7.830828

在同一台机器上的Windows 10的Qemu/libvirt虚拟机上，我得到了以下时间：

• MinGW-w64 GCC 6.3： CPU时间= 76.122000
• 对2015.3： CPU时间= 13.497000
• VS 2017： CPU时间= 49.306000

在should上(本地Linux，但Win32 API仿真，仍然可以与本地Linux代码执行相媲美)。

• MinGW-w64 GCC 6.3： CPU时间= 56.074000
• 对2015.3： CPU时间= 12.048000
• VS 2017： CPU时间= 34.541000

长话短说:这些输出似乎是解决这个特殊问题的最佳代码：

1. Linux上的Intel (可能也在Windows上)
2. VS 2015.3
3. Linux上的GCC/Clang
4. VS 2017
5. GCC。

查看组装将是唯一的办法，以了解这一点，但正确的分析，这是超出我的能力。