Wann ist Assembler schneller als C?

Question

Einer der angegebenen Gründe für Assembler-Kenntnisse ist, dass man damit gelegentlich Code schreiben kann, der leistungsfähiger ist als der Code in einer höheren Sprache, insbesondere C. Ich habe aber auch schon oft gehört, dass, obwohl das nicht ganz falsch ist, die Fälle, in denen Assembler helfen kann eigentlich zur Generierung von leistungsfähigerem Code verwendet werden können, sind extrem selten und erfordern Expertenwissen und Erfahrung mit Assembler.

Diese Frage geht noch nicht einmal auf die Tatsache ein, dass Assembler-Anweisungen maschinenspezifisch und nicht portierbar sind, oder auf andere Aspekte von Assembler. Es gibt viele gute Gründe, Assembler zu kennen, abgesehen von diesem, natürlich, aber dies soll eine spezifische Frage sein, die nach Beispielen und Daten fragt, nicht ein ausgedehnter Diskurs über Assembler gegenüber höheren Sprachen.

Kann jemand etwas über spezifische Beispiele in welchen Fällen Assembler schneller ist als gut geschriebener C-Code mit einem modernen Compiler, und können Sie diese Behauptung mit Profilergebnissen belegen? Ich bin mir ziemlich sicher, dass es diese Fälle gibt, aber ich möchte wirklich genau wissen, wie esoterisch diese Fälle sind, da dies ein Punkt zu sein scheint, über den man streiten kann.

Answer 1

Einer der berühmtesten Schnipsel der Montage stammt aus Michael Abrashs Texturabbildungsschleife ( hier im Detail erläutert ):

add edx,[DeltaVFrac] ; add in dVFrac
sbb ebp,ebp ; store carry
mov [edi],al ; write pixel n
mov al,[esi] ; fetch pixel n+1
add ecx,ebx ; add in dUFrac
adc esi,[4*ebp + UVStepVCarry]; add in steps

Heutzutage drücken die meisten Compiler fortgeschrittene CPU-spezifische Befehle als Intrinsics aus, d.h. als Funktionen, die bis zum eigentlichen Befehl herunterkompiliert werden. MS Visual C++ unterstützt Intrinsics für MMX, SSE, SSE2, SSE3 und SSE4, so dass Sie sich weniger Gedanken darüber machen müssen, ob Sie zu Assembler wechseln müssen, um die Vorteile plattformspezifischer Anweisungen zu nutzen. Visual C++ kann mit der entsprechenden /ARCH-Einstellung auch die Vorteile der aktuellen Architektur nutzen, auf die Sie abzielen.

Answer 2

Wie wäre es mit Maschinencode zur Laufzeit erzeugen?

Mein Bruder hat einmal (um das Jahr 2000) einen extrem schnellen Echtzeit-Raytracer durch Generierung von Code zur Laufzeit realisiert. Ich kann mich nicht mehr an die Details erinnern, aber es gab eine Art Hauptmodul, das Objekte in einer Schleife durchlief und dann einen Maschinencode vorbereitete und ausführte, der für jedes Objekt spezifisch war.

Mit der Zeit wurde diese Methode jedoch durch neue Grafikhardware überholt und unbrauchbar.

Heute denke ich, dass möglicherweise einige Operationen auf Big Data (Millionen von Datensätzen) wie Pivot-Tabellen, Drilling, Berechnungen on-the-fly usw. mit dieser Methode optimiert werden könnten. Die Frage ist: Lohnt sich der Aufwand?

Answer 3

In Zeiten, in denen die Prozessorgeschwindigkeit in MHz gemessen wurde und die Bildschirmgröße unter 1 Megapixel lag, war ein bekannter Trick, um eine schnellere Anzeige zu erreichen, das Abrollen von Schleifen: Schreiboperationen für jede Abtastzeile des Bildschirms. Dadurch wurde der Overhead vermieden, der durch die Pflege eines Schleifenindex entsteht! In Verbindung mit der Erkennung der Bildschirmaktualisierung war dies sehr effektiv.
Das ist etwas, was ein C-Compiler nicht tun würde... (obwohl man oft zwischen der Optimierung für Geschwindigkeit oder für Größe wählen kann, ich nehme an, dass ersterer einige ähnliche Tricks verwendet).

Ich weiß, dass einige Leute gerne Windows-Anwendungen in Assembler schreiben. Sie behaupten, sie seien schneller (schwer zu beweisen) und kleiner (tatsächlich!).
Es macht zwar Spaß, aber es ist wahrscheinlich verschwendete Zeit (außer zum Lernen natürlich!), insbesondere für GUI-Operationen... Nun, vielleicht können einige Operationen, wie das Durchsuchen einer Zeichenkette in einer Datei, durch sorgfältig geschriebenen Assemblercode optimiert werden.

Answer 4

Dies ist sehr schwer zu beantworten, da die Frage sehr unspezifisch ist: Was genau ist ein "moderner Compiler"?

So ziemlich jede manuelle Assembler-Optimierung könnte theoretisch auch von einem Compiler durchgeführt werden - ob sie tatsächlich es kann nicht allgemein gesagt werden, sondern nur über eine bestimmte Version eines bestimmten Compilers. Viele erfordern wahrscheinlich so viel Aufwand, um festzustellen, ob sie in einem bestimmten Kontext ohne Nebenwirkungen angewandt werden können, dass sich die Compiler-Autoren nicht mit ihnen befassen.

Answer 5

Ein historischer Rückblick.

Als ich noch viel jünger war (1970er Jahre), war Assembler meiner Erfahrung nach eher für die Größe des Codes wichtig als für die Geschwindigkeit des Codes.

Wenn ein Modul in einer höheren Sprache, sagen wir, 1300 Bytes Code umfasste, aber eine Assembler-Version des Moduls 300 Bytes, waren diese 1K Bytes sehr wichtig, wenn man versuchte, die Anwendung in 16K oder 32K Speicher unterzubringen.

Die Compiler waren zu dieser Zeit nicht besonders gut.

In altmodischem Fortran

X = (Y - Z)
IF (X .LT. 0) THEN
 ... do something
ENDIF

Der damalige Compiler hat einen SUBTRACT-Befehl und dann einen TEST-Befehl auf X angewendet. In Assembler würde man einfach den Bedingungscode (LT zero, zero, GT zero) nach der Subtraktion prüfen.

Bei modernen Systemen und Compilern ist das alles kein Problem.

Ich denke, dass es immer noch wichtig ist zu verstehen, was der Compiler tut. Wenn Sie in einer höheren Sprache programmieren, sollten Sie verstehen, was den Compiler daran hindert, eine Schleifenabwicklung durchzuführen.

Und mit Pipe-Lining und Vorausberechnung unter Einbeziehung von Konditionalen, wenn der Compiler einen "branch-likley" macht

Assembler wird immer noch benötigt, um Dinge zu tun, die eine höhere Sprache nicht erlaubt, wie das Lesen oder Schreiben in prozessorspezifische Register.

Aber im Großen und Ganzen wird es für den allgemeinen Programmierer nicht mehr benötigt, außer um ein grundlegendes Verständnis dafür zu haben, wie der Code kompiliert und ausgeführt werden könnte.