通过循环展开减少循环控制的开销 c++实现

循环展开是一种优化技术，通过减少循环控制的开销来提高程序性能。在 C++ 中，可以通过手动展开循环来实现这一点。以下是如何在 C++ 中实现循环展开的示例。

示例：向量加法的循环展开

我们将创建一个简单的向量加法示例，展示如何通过循环展开来提高性能。

1. 基本向量加法

首先实现一个简单的向量加法函数。

#include <iostream>

void vector_add(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

2. 循环展开的向量加法

接下来，我们手动展开循环。在这个示例中，我们将每次处理四个元素（假设 size 是 4 的倍数）。

void vector_add_unrolled(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {
    size_t i = 0;

    // 每次处理4个元素
    for (; i + 4 <= size; i += 4) {
        result[i] = a[i] + b[i];
        result[i + 1] = a[i + 1] + b[i + 1];
        result[i + 2] = a[i + 2] + b[i + 2];
        result[i + 3] = a[i + 3] + b[i + 3];
    }

    // 处理剩余的元素
    for (; i < size; ++i) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

3. 主函数

在主函数中，我们将初始化数据并调用这两个函数。

int main() {
    const size_t size = 8; // 数据大小，必须是4的倍数
    float a[size] = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f, 5.0f, 6.0f, 7.0f, 8.0f};
    float b[size] = {9.0f, 10.0f, 11.0f, 12.0f, 13.0f, 14.0f, 15.0f, 16.0f};
    float result[size] = {0};

    // 使用未展开的版本
    vector_add(a, b, result, size);
    std::cout << "Result from vector_add: ";
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << result[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 清空结果数组
    std::fill(result, result + size, 0);
    
    // 使用展开的版本
    vector_add_unrolled(a, b, result, size);
    std::cout << "Result from vector_add_unrolled: ";
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << result[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

4. 完整代码示例

以下是完整代码的集合：

#include <iostream>

void vector_add(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

void vector_add_unrolled(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {
    size_t i = 0;

    // 每次处理4个元素
    for (; i + 4 <= size; i += 4) {
        result[i] = a[i] + b[i];
        result[i + 1] = a[i + 1] + b[i + 1];
        result[i + 2] = a[i + 2] + b[i + 2];
        result[i + 3] = a[i + 3] + b[i + 3];
    }

    // 处理剩余的元素
    for (; i < size; ++i) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

int main() {
    const size_t size = 8; // 数据大小，必须是4的倍数
    float a[size] = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f, 5.0f, 6.0f, 7.0f, 8.0f};
    float b[size] = {9.0f, 10.0f, 11.0f, 12.0f, 13.0f, 14.0f, 15.0f, 16.0f};
    float result[size] = {0};

    // 使用未展开的版本
    vector_add(a, b, result, size);
    std::cout << "Result from vector_add: ";
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << result[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 清空结果数组
    std::fill(result, result + size, 0);
    
    // 使用展开的版本
    vector_add_unrolled(a, b, result, size);
    std::cout << "Result from vector_add_unrolled: ";
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << result[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

5. 性能测试

可以使用性能分析工具测量两个版本的执行时间，以观察循环展开的效果。通常，在处理大量数据时，循环展开可以显著减少循环控制的开销，提高性能。

总结

循环展开是一种有效的优化技术，它通过减少循环控制的频率，增加每次迭代中处理的数据量，从而提高程序的执行效率。在实际应用中，可以根据需要调整展开的程度，以实现最佳性能。