Question

代码天真：

use std::time;

fn main() {
    const NUM_LOOP: u64 = std::u64::MAX;
    let mut sum = 0u64;
    let now = time::Instant::now();
    for i in 0..NUM_LOOP {
        sum += i;
    }
    let d = now.elapsed();
    println!("{}", sum);
    println!("loop: {}.{:09}s", d.as_secs(), d.subsec_nanos());
}

输出为：

$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000060s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000052s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000045s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000041s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000046s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000047s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000045s

程序几乎立即结束。我还使用for循环在C中编写了等效的代码，但运行了很长时间。我想知道是什么使Rust代码如此之快。

C代码：

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

double time_elapse(struct timespec start) {
    struct timespec now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);
    return now.tv_sec - start.tv_sec +
           (now.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.;
}

int main() {
    const uint64_t NUM_LOOP = 18446744073709551615u;
    uint64_t sum = 0;
    struct timespec now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);

    for (int i = 0; i < NUM_LOOP; ++i) {
        sum += i;
    }

    double t = time_elapse(now);
    printf("value of sum is: %llu\n", sum);
    printf("time elapse is: %lf sec\n", t);

    return 0;
}

Rust代码使用-O编译，而C代码使用-O3编译。 C代码运行太慢，以至于还没有停止。

修复了visibleman和Sandeep发现的错误之后，两个程序几乎都在同一时间打印了相同的数字。我尝试将NUM_LOOP减1，考虑到溢出，结果似乎是合理的。而且，使用NUM_LOOP = 1000000000，两个程序都不会溢出，不会立即产生正确的答案。这里使用什么优化？我知道我们可以使用诸如(0 + NUM_LOOP - 1) * NUM_LOOP / 2之类的简单方程式来计算结果，但是我不认为这种计算是由编译器在溢出情况下完成的。

Answer 1

由于int的大小永远无法与NUM_LOOP一样大，因此该程序将永远循环。

const uint64_t NUM_LOOP = 18446744073709551615u;

for (int i = 0; i < NUM_LOOP; ++i) { // Change this to an uint64_t

如果您修复了int错误，则在两种情况下编译器都会优化这些循环。

Answer 2

您的Rust代码（没有打印件和时间）将编译为（On Godbolt）：

movabs rax, -9223372036854775807
ret

LLVM只是将整个函数折叠起来并为您计算最终值。

让动态上限（非常量）避免这种积极的常量折叠：

pub fn foo(num: u64) -> u64 {
    let mut sum = 0u64;
    for i in 0..num {
        sum += i;
    }

    sum
}

这将导致（{Godbolt）：

  test rdi, rdi            ; if num == 0
  je .LBB0_1               ; jump to .LBB0_1
  lea rax, [rdi - 1]       ; sum = num - 1
  lea rcx, [rdi - 2]       ; rcx = num - 2
  mul rcx                  ; sum = sum * rcx
  shld rdx, rax, 63        ; rdx = sum / 2
  lea rax, [rdx + rdi]     ; sum = rdx + num
  add rax, -1              ; sum -= 1
  ret
.LBB0_1:
  xor eax, eax             ; sum = 0
  ret

如您所见，优化器了解到您将0到num之间的所有数字相加，并用一个常数公式((num - 1) * (num - 2)) / 2 + num - 1替换了循环。对于上面的示例：优化器可能首先将代码优化为该常数公式，然后进行常数折叠。

附加说明

另外两个答案已经指出了您在C程序中的错误。固定后，clang generates exactly the same assembly（毫不奇怪）。但是，GCC似乎并不了解这种优化和generates pretty much the assembly you would expect (a loop)。
在Rust中，一种更简单，更惯用的方式编写代码是(0..num).sum()。尽管这样做需要使用更多的抽象层（即迭代器），但编译器仍会生成与上面完全相同的代码。
要在Rust中打印Duration，可以使用{:?}格式说明符。 println!("{:.2?}", d);以最适合的单位以2的精度打印持续时间。这是打印几乎所有基准测试时间的一种好方法。

Answer 3

您的代码陷入无限循环。

比较i < NUM_LOOP将始终返回true，因为int i将在到达NUM_LOOP之前回绕

哪些优化技术应用于总结简单算术序列的Rust代码？

3 个答案:

附加说明