Question

我在我的代码中使用了某种具有read_bit()函数的BitStream。非常频繁地调用此函数（在单个流中超过十亿次）。这就是结构BitStream的样子：

typedef struct BitStream {
    unsigned char* data;
    unsigned int size;
    unsigned int currentByte;
    unsigned char buffer;
    unsigned char bitsInBuffer;
} BitStream;

read_bit() - 函数定义如下：

unsigned char bitstream_read_bit(BitStream* stream, unsigned long long bitPos) {
    unsigned int byte = bitPos / 8;
    unsigned char byteVal = stream->data[byte];
    unsigned char mask = 128 >> (bitPos & 7);
    if (mask & byteVal) {
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

现在，我通过反复试验发现行unsigned char mask = 128 >> (bitPos & 7);非常慢。有什么方法可以加快检查一下吗？我已经尝试使用一个索引8种不同掩码的数组，但这并不快（我认为是由于内存访问）。

编辑：过去一周我尝试了很多答案并执行了很多基准测试，但没有太多的性能提升。我最终通过颠倒比特流中的比特顺序来获得10秒的改进。所以我没有使用掩码128 >> (bitPos & 7)，而是使用了函数：

unsigned char bitstream_read_bit_2(BitStream* stream, const unsigned long long bitPos) {
    unsigned int byte = (unsigned int) (bitPos / 8);
    unsigned char byteVal = stream->data[byte];
    unsigned char mod = bitPos & 7;
    return (byteVal & (1 << mod)) >> mod;
}

我显然也改变了相应的写功能。

Answer 1

明显的第一个改进是移动加载的值而不是掩码：

unsigned char bitstream_read_bit(BitStream* stream, unsigned long long bitPos) {
    unsigned int byte = bitPos / 8;
    unsigned char byteVal = stream->data[byte];
    unsigned char maskVal = byteVal >> (bitPos & 7);
    return maskVal & 1;
}

这消除了对条件（if或!或?:）的需要。

如果您可以修改struct，我建议您使用比字节更大的单位进行访问：

#include <stddef.h>
#include <limits.h>
#include <stdbool.h>

typedef struct WBitStream
{
  size_t *data;
  size_t size;
} WBitStream;

bool Wbitstream_read_bit(WBitStream* stream, size_t bitPos)
{
  size_t location = bitPos / (sizeof(size_t)*CHAR_BIT);
  size_t locval = stream->data[location];
  size_t maskval = locval >> (bitPos & (sizeof(size_t)*CHAR_BIT-1));
  return maskval & 1;
}

在某些处理器（特别是常见的x86）上，移位量的掩码是NOP，因为处理器的本机移位指令仅考虑移位量的低位。至少gcc知道这一点。

Answer 2

我已经测试了与初始源代码相比的优化宏：

static unsigned char tMask[8] = { 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1 };

#define BITSTREAM_READ_BIT1(stream, bitPos) (((128 >> (bitPos & 7)) & stream->data[bitPos >> 3])!=0)
#define BITSTREAM_READ_BIT2(stream, bitPos) (((tMask[(bitPos & 7)]) & stream->data[bitPos >> 3])!=0)

通过数组中的掩码替换掩码计算并不会提高性能。主要差距在功能和宏之间（在我的计算机上运行速度提高了6倍，通话时间为80.000.000）。

静态内联使用距离宏不远。

Answer 3

以下是我最初优化代码的方式：

unsigned char bitstream_read_bit(BitStream* stream, unsigned long long bitPos) 
{
    return !!(stream->data[(bitPos / 8)] & (128 >> (bitPos % 8)));
}

但是函数调用开销本身可能比其中的位调整代码更多的指令。因此，如果你真的想进一步优化它，那么让我们利用内联并将其转换为宏：

#define bitstream_read_bit(stream, bitPos) (!!((stream)->data[((bitPos) / 8)] & (128 >> ((bitPos) % 8))))

非常快速地检查C中的设置位

3 个答案: