Вопрос или проблема
Когда вы настраиваете макет/положения членов struct,
оптимизация для пространства (минимизация отступов и плотное выравнивание членов с использованием интегральных возможностей компилятора) естественным образом оптимизирует эффективность выполнения?
Я понимаю, что более компактное распределение памяти позволяет более релевантным данным/памяти помещаться в кэши, такие как TLB виртуальной памяти и кэши L1/L2 процессора, что, следовательно, приводит к гораздо более быстрому доступу во время выполнения программы.
Меня интересуют теоретические принципы и установленные руководства для абстрактной машины (не конкретно для реального компьютера (“теория”)), которые поддерживают эту идею, или это более сложный вопрос, чем кажется.
Спасибо
Оптимизация для пространства (минимизация отступов и плотное выравнивание членов с использованием интегральных возможностей компилятора) естественным образом оптимизирует эффективность выполнения?
Абсолютно нет. Классический контрпример: иногда добавление отступов улучшает выравнивание, что увеличивает скорость, но использует больше пространства.
Ответ или решение
Оптимизация структуры данных — это важная тема, которая затрагивает вопросы как пространственной, так и временной эффективности. При проектировании и оптимизации полей структуры, возникает вопрос: действительно ли оптимизация для пространственной эффективности (минимизация отступов и тесное размещение членов, использование встроенных возможностей компилятора) автоматически приводит к оптимизации временной эффективности?
Оптимизация пространства и времени
На первый взгляд, более компактный макет памяти может позволить большему количеству данных вместиться в кешах (как в TLB, так и в кешах L1/L2), что теоретически должно ускорить доступ во время выполнения программы. Однако, это не всегда так.
Проблема выравнивания
При оптимизации структуры важно учитывать правила выравнивания, которые зависят от типа данных и архитектуры процессора. Например, некоторые типы данных требуют выравненного доступа, что означает, что они должны начинаться по определенному адресу памяти (например, четные адреса для 4-байтовых типов). Если члены структуры размещены близко друг к другу без правильного выравнивания, то для доступа к ним может потребоваться несколько операций, что ухудшает временную эффективность.
Пример: Если у вас есть структура, состоящая из char (1 байт) и double (8 байт), и char размещен перед double, между ними может быть добавлен дополнительный отступ для обеспечения выравнивания double. В этом случае больше места действительно будет занято, но также и доступ к double будет более быстрым из-за правильного выравнивания.
Кеширование
Современные процессоры используют многоуровневую архитектуру кеширования, где данные, которые часто запрашиваются, хранятся ближе к процессору. При оптимизации производительности важно помнить, что более компактные структуры могут привести к лучшей локальности данных, что повышает вероятность кэширования. Например, если связанные данные находятся в одной конструкции, они могут быть загружены в кеш одновременно, что ускоряет доступ по сравнению с данными, разбросанными по памяти.
Заключение
Таким образом, оптимизация структуры для пространственной эффективности не всегда приводит к выигрышу во временной эффективности. Важно находить баланс между минимизацией занимаемого пространства и обеспечением правильного выравнивания и доступа к данным. Рекомендую использовать следующие подходы при проектировании структур:
- Изучите требования к выравниванию для всех членов структуры и организуйте их так, чтобы минимизировать отступы.
- Обратите внимание на локальность данных — организуйте члены структуры так, чтобы они использовались вместе.
- Профилируйте производительность кода на уровне практически применяемых случаев, а не только теоретических принципов, поскольку реальная производительность может сильно варьироваться в зависимости от конкретной архитектуры и кода.
Следуя этим принципам, можно достичь более оптимального соотношения между пространственной и временной эффективностью в вашем программном обеспечении.