关于改进Has​​kell在Fibonacci微基准测试中与C相比的性能

Question

我遇到了this question，它比较了各种编译器在计算斐波那契数字方面的表现，这是天真的方式。

我尝试用Haskell做这个，看看它与C的比较。

C代码：

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

int fib (int n) {
  if (n < 2) return 1;
  return fib (n-1) + fib (n-2);
}

int main (int argc, char* argv[]) {
  printf ("%i\n", fib (atoi(argv[1])));
  return 0;
}

结果：

> gcc -O3 main.c -o fib
> time ./fib 40
165580141
real    0m0.421s
user    0m0.420s
sys 0m0.000s

Haskell中：

module Main where
import System.Environment (getArgs)

fib :: Int -> Int
fib n | n < 2 = 1
      | otherwise = fib (n-1) + fib (n-2)

main = getArgs >>= print . fib . read . head

结果：

> ghc -O3 -fllvm -optlo-O3 Main.hs -o fib
> time ./fib 40
165580141
real    0m1.476s
user    0m1.476s
sys 0m0.000s

使用

进行分析

> ghc -O3 -fllvm -optlo-O3 -prof -auto-all -caf-all -rtsopts Main.hs -fforce-recomp -o fib
> ./fib 40 +RTS -prof

显示fib需要100％的时间和分配，毫不奇怪。我拿了一些堆的配置文件，但不知道它们意味着什么：

> ./fib 40 +RTS -hc

> ./fib 40 +RTS -hd

所以我的问题：我可以做些什么来让我的Haskell程序的性能更接近于C，或者这就是GHC在这个微基准测试中做出的事情让它变得更慢的方式？ （我不是要求渐近更快的算法来计算纤维。）

非常感谢。

[编辑]

事实证明，ghc -O3在这种情况下比ghc -O3 -fllvm -optlo-O3更快。但optlo-block-placement为LLVM后端提供了可观察到的差异：

> ghc -O3 Main.hs -o fib -fforce-recomp
> time ./fib 40
165580141
real    0m1.283s
user    0m1.284s
sys 0m0.000s

> ghc -O3 -fllvm -optlo-O3 -o fib -fforce-recomp
> time ./fib 40
165580141
real    0m1.449s
user    0m1.448s
sys 0m0.000s

> ghc -O3 -fllvm -optlo-O3 -optlo-block-placement -o fib -fforce-recomp
> time ./fib 40
165580141
real    0m1.112s
user    0m1.096s
sys 0m0.016s

我想调查这个的原因是因为C和OCaml在这个程序中明显快于Haskell。我有点不能接受，并希望了解更多，以确保我已经尽我所能：D

> ocamlopt main.ml -o fib
> time ./fib 40
165580141
real    0m0.668s
user    0m0.660s
sys 0m0.008s

Answer 1

堆配置文件在这里不是很有趣，因为GHC将fib编译成一个在堆栈上运行soleley的函数。只需查看配置文件...只分配了800个字节，这是main实现的小开销。

就GHC的核心级而言，这实际上已经尽可能地得到优化。低级代码生成是另一回事。让我们快速浏览一下GHC生成的代码：

_Main_zdwfib_info:
.Lc1RK:
    leal -8(%ebp),%eax
    cmpl 84(%ebx),%eax
    jb .Lc1RM

这是对堆栈空间的检查。可能是C不需要的东西，因为它可以让操作系统处理堆栈空间分配。 Haskell具有用户级线程，因此可以手动管理堆栈空间。

    cmpl $2,0(%ebp)
    jl .Lc1RO

与代码中的2进行比较。

    movl 0(%ebp),%eax
    decl %eax

从堆栈重新加载参数并递减以获取递归调用的参数。重新加载可能是不必要的 - 不过确定它会有所不同。

    movl %eax,-8(%ebp)
    movl $_s1Qp_info,-4(%ebp)
    addl $-8,%ebp
    jmp _Main_zdwfib_info

参数和返回地址被推到堆栈顶部，我们直接跳转到标签以便递归。

.Lc1RO:
    movl $1,%esi
    addl $4,%ebp
    jmp *0(%ebp)

参数小于2的情况的代码。返回值在寄存器中传递。

底线：一切似乎都应该如此运作，你不可能通过改变程序来挤出更多。自定义堆栈检查是一个明显的减速源，但不确定它是否可以归咎于全时差异。

Answer 2

这些似乎是barsoap所说的非常微弱的“基准”。假设我比较以下几乎同样天真的程序：

module Main where
import System.Environment (getArgs)

fib ::  Int ->  Int
fib 0 = 1
fib 1 = 1
fib 2 = 2 
fib n = (\x y -> x + y + y )  (fib (n-3))  (fib (n-2) )

main = getArgs >>= print . fib . read . head  

......在另一个角落......

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

int fib (int n) {
  if (n < 2) return 1;
  if (n < 3) return n;
  return (fib (n-3) + fib (n-2)) + fib (n-2);
}

int main (int argc, char* argv[]) {
  printf ("%i\n", fib (atoi(argv[1])));
  return 0;
}

然后，光荣的ghc粉碎了gcc，并不太令人惊讶，真的：

$ ghc --make -fforce-recomp fib.hs -o fibh
[1 of 1] Compiling Main             ( fib.hs, fib.o )
Linking fibh ...
$ time ./fibh 40
165580141

real    0m0.013s
user    0m0.007s
sys 0m0.003s

$ gcc fib.c -o fibc
$ time ./fibc 40
165580141

real    0m1.495s
user    0m1.483s
sys 0m0.003s

现在开启优化，ghc加快了速度：

$ ghc --make -fforce-recomp fib.hs -O3 -o fibhO
$ time ./fibhO 40
165580141

real    0m0.007s
user    0m0.002s
sys 0m0.004s

但gcc终于得到了线索。

$ gcc fib.c -O3 -o fibcO
$ time ./fibcO 40
165580141

real    0m0.007s
user    0m0.004s
sys 0m0.002s

我认为解释是ghc对共同子表达式消除的谨慎态度：'（几乎）所有东西都是表达式'是危险的，并且它表明程序员知道如何使用lambda。

Answer 3

GHC编制此罚款。下一步是微观优化GHC后端的输出。使用各种LLVM标志可以在这里提供帮助。

为此，请使用ghc-core检查程序集，并尝试其他标志到LLVM以查看您获得的内容。

另一种方法是添加少量的并行性。

Answer 4

试试这个：

fibs :: [Integer]
fibs = 0:1:zipWith (+) fibs (tail fibs)

fib n = fibs !! n

$ time ./fib 10000
  33644[...]6875
  ./fib 10000  0.03s user 0.01s system 89% cpu 0.039 total

（这是一个好的赛道Athlon64 3200 +）

您使用的版本是，对于每个n，计算fib (n-1)和fib (n-2)，即具有大致三角形性质的复杂性。上面的版本是线性的：每个fib只计算一次。尽管非Haskell编程hivemind似乎认为，Haskell并没有automatically memoise（总的来说，这比一般的动态编程要慢）。

the Haskell Wiki上有更快（使用数学技巧）的fibonnaci版本。

将C版本更改为非递归，我的赌注是你会看到Haskell和C的性能非常相似。紧密循环更容易优化。