如何在CFD C程序中优化决策

Question

我想优化CFD代码中不同函数的使用，用户可以通过程序读取的配置文件在运行时选择这些函数。

我想出了一个最小的工作示例，其中有两个单独的函数，只有一个输入。一个对输入进行平方，一个对输入进行立方体。通过命令行选项，用户可以选择使用哪个函数。在for循环中，正方形/立方体代码(它计算x^2或x^3的0到1之间的积分，取决于所选择的函数)并输出结果。第一个变体只是for循环(case1)中的开关情况。我尝试的第二件事是一个函数指针，它在循环(case2)之前设置。我做的第三件事是只有选择地编译用户打算在使用预处理器命令(case3)时使用的函数。

case1：

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

double f_square(double x) {return x * x;}

double f_cube(double x) {return x * x * x;}

int main(int argc, char *argv[])
{
    double x;
    double sum = 0;
    double del_x = 4e-10;

    printf("Speed test -- no optimisation\n");

    clock_t startClock = clock();
    for (x = 0; x < 1; x += del_x) {
        switch (argv[1][0]) {
        case '2':
            sum += f_square(x) * del_x;
            break;
        case '3':
            sum += f_cube(x) * del_x;
            break;
        default:
            printf("Invalid choice! Abort\n");
            exit(1);
        }
    }
    clock_t endClock = clock();

    printf("Int_{0}^{1} x^%c: %.8g\n", argv[1][0], sum);
    printf("Execution time: %.6f\n", (endClock - startClock) / (double)CLOCKS_PER_SEC);
}

case2：

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

double f_square(double x) {return x * x;}

double f_cube(double x) {return x * x * x;}

int main(int argc, char *argv[])
{
    double x;
    double sum = 0;
    double del_x = 4e-10;
    double (*f)(double);

    printf("Speed test -- function pointers\n");

    switch (argv[1][0]) {
    case '2':
        f = &f_square;
        break;
    case '3':
        f = &f_cube;
        break;
    default:
        printf("Invalid choice! Abort\n");
        exit(1);
    }

    clock_t startClock = clock();
    for (x = 0; x < 1; x += del_x) {
        sum += f(x) * del_x;
    }
    clock_t endClock = clock();

    printf("Int_{0}^{1} x^%c: %.8g\n", argv[1][0], sum);
    printf("Execution time: %.6f\n", (endClock - startClock) / (double)CLOCKS_PER_SEC);
}

case3：

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

#ifdef SQUARE
double f(double x) {return x * x;}
#endif

#ifdef CUBE
double f(double x) {return x * x * x;}
#endif

int main(void)
{
    double x;
    double sum = 0;
    double del_x = 4e-10;

    printf("Speed test -- selective compilation\n");

    clock_t startClock = clock();
    for (x = 0; x < 1; x += del_x) {
        sum += f(x) * del_x;
    }
    clock_t endClock = clock();

    #ifdef SQUARE
    printf("Int_{0}^{1} x^2: %.8g\n", sum);
    #endif
    #ifdef CUBE
    printf("Int_{0}^{1} x^3: %.8g\n", sum);
    #endif
    printf("Execution time: %.6f\n", (endClock - startClock) / (double)CLOCKS_PER_SEC);
}

在测量执行时间时，我发现了一些奇怪的东西：

• 使用O0，我得到了我预期的发行版，case3是最快的，其次是case2，然后是case1
• 对于O1-O3，case2的表现总是比case1和case3差得多。

下面是比较执行时间的一些图像

• 用O0编译
• 用O1编译
• 用O3编译。

这让我感到困惑，我想知道我能做些什么才能在不失去性能的情况下使用函数指针，因为出于灵活性的原因，我真的想使用函数指针。

=>为什么函数指针这么慢？

我想补充的是，我不是一名软件工程师，而是一名航空航天工程专业的学生，遗憾的是，我们没有学到很多编程课程，所以每一个细节都可能会有所帮助。

Answer 1

下面是两个类似函数的反汇编视图：https://c.godbolt.org/z/l24Zhl

注意，对于-O2，第一个方法内联了对f_cube和f_square的调用(注意没有调用程序集中的函数)，但是第二个版本没有。

最有可能的是，由于处理器上的分支预测，第一个版本会进一步加速.

您是否分析过您的代码并发现此区域是一个瓶颈？请记住，通过首先优化使用最多的代码，可以获得最大的速度增益。记住:首先让它起作用，然后使它快速。