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理论上双字加/减的成本是单字的2倍。同样，单字乘法与加法的成本比取为 3。我在 Ubuntu LTS 14.04 上使用 GCC 编写了以下 C 程序，以检查我的机器 Intel Sandy Bridge Corei5-2410M 上的时钟周期数。虽然，大多数时候程序返回 6 个时钟周期来进行 128 位加法，但我采取了最好的情况。我使用命令（gcc -o ow -O3 cost.c）编译，结果如下

32-bit Add: Clock cycles = 1    64-bit Add: Clock cycles = 1    64-bit Mult: Clock cycles = 2   128-bit Add: Clock cycles = 5

程序如下：

#define n 500
#define counter 50000

typedef uint64_t utype64;
typedef int64_t type64;
typedef __int128 type128;

__inline__ utype64 rdtsc() {
        uint32_t lo, hi;
        __asm__ __volatile__ ("xorl %%eax,%%eax \n        cpuid"::: "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx");
        __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
        return (utype64)hi << 32 | lo;
}

int main(){
    utype64 start, end;
    type64 a[n], b[n], c[n];
    type128 d[n], e[n], f[n];
    int g[n], h[n];
    unsigned short i, j;
    srand(time(NULL));
    for(i=0;i<n;i++){ g[i]=rand(); h[i]=rand(); b[i]=(rand()+2294967295); e[i]=(type128)(rand()+2294967295)*(rand()+2294967295);}
    for(j=0;j<counter;j++){
       start=rdtsc();
       for(i=0;i<n;i++){ a[i]=(type64)g[i]+h[i]; }
       end=rdtsc();
       if((j+1)%5000 == 0)
          printf("%lu-bit Add: Clock cycles = %lu \t", sizeof(g[0])*8, (end-start)/n);

       start=rdtsc();
       for(i=0;i<n;i++){ c[i]=a[i]+b[i]; }
       end=rdtsc();
       if((j+1)%5000 == 0)
          printf("%lu-bit Add: Clock cycles = %lu \t", sizeof(a[0])*8, (end-start)/n);

       start=rdtsc();
       for(i=0;i<n;i++){ d[i]=(type128)c[i]*b[i]; }
       end=rdtsc();
       if((j+1)%5000 == 0)
          printf("%lu-bit Mult: Clock cycles = %lu \t", sizeof(c[0])*8, (end-start)/n);

       start=rdtsc();
       for(i=0;i<n;i++){ f[i]=d[i]+e[i]; }
       end=rdtsc();
       if((j+1)%5000 == 0){
          printf("%lu-bit Add: Clock cycles = %lu \n", sizeof(d[0])*8, (end-start)/n);
        printf("f[%hu]= %ld %ld \n\n", i-7, (type64)(f[i-7]>>64), (type64)(f[i-7]));}
   }

return 0;
}

结果中有两件事让我感到困扰。

1）（64位）乘法的时钟周期数可以变成2吗？

2）为什么双字加法的时钟周期数是单字加法的2倍以上？

我主要关心情况（2）。现在，问题出现了，是因为我的程序逻辑吗？还是由于 GCC 编译器优化？

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1 回答 1

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理论上我们知道双字的加减法是单字的2倍。

不，我们没有。

类似地，由于 CPU 的快速整数乘法器，单字乘法与加法的成本比取为 3。

不，不是。

你不是在测量指令。您正在测量程序中的语句。这可能与您的编译器将发出的指令有任何关系，也可能没有关系。例如，我的编译器在修复您的代码以便编译后，对一些循环进行了矢量化。每条指令添加多个值。第一个循环本身仍然有 23 条指令长，并且仍然被您的代码报告为 1 个循环。

现代（与过去 25 年一样）CPU 一次不会执行一条指令。他们将同时执行多个指令，并且可以乱序执行它们。

然后你有内存访问。在您的 CPU 上，没有指令可以从内存中获取一个值，将其添加到内存中的另一个值，然后将其存储在第三个内存位置。所以必须已经执行了多条指令。此外，内存访问的成本比算术指令高得多，以至于任何接触内存的东西（除非它一直命中 L1 高速缓存）都将受内存访问时间的支配。

此外，RDTSC 甚至可能不会返回实际的循环计数。一些 CPU 具有可变的时钟频率，但无论 CPU 实际运行的速度有多快或多慢，TSC 仍然保持相同的频率运行，因为操作系统使用 TSC 来保持时间。其他人没有。

所以你不是在测量你认为你在测量的东西，而告诉你这些事情的人要么过于简单化了，要么在二十年内没有看过 CPU 文档。

于 2016-04-14T13:50:52.743 回答