「ループはポインタ使った方が速い」とは限らない

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「ループはポインタ使った方が速い」とは限らない

2008 / 02 / 14 ( Thu )

C言語で配列の各要素へ順番にアクセスするために、indexを用いてループを回す次のようなコードをしばしば書くと思います。


  int i;
  for(i=0; i < SIZE; i++)
    /* この中でa[i]とアクセスする。*/

しかし、次のようにポインタを用いてループを回すコードを時折目にします。


  int *p;
  for(p=&a[0]; p!=&a[SIZE]; p++) sum = (*p)*(*p);
    /* この中で*pとアクセスする。*/

このコーディングの理由としては「ポインタを使った方が速いから。」「C言語らしくてかっこいいから。」などが主だと思いますが、後者はともかくとして前者の主張は常に正しいとは限りません。

確かに、昔はindexでループを回して添え字を使って配列へアクセスするよりも、ポインタを使ってループを回した方が高速に実行できたようです。しかし、現在はコンパイラが最適化を頑張ってくれるのでどちらのコードも速度に大した差はないか、むしろ、ポインタでループを回すなど凝ったコードを書くと最適化の妨げとなってしまい、結果としてindexを使ってループを回すコードより低速になってしまうことがあります。

実際に実験をしてみましょう。ここでは次のような配列の和を計算するプログラムで計測をします。


#include < stdio.h >
#include "clock.h"
#define SIZE 1024
#define LOOP 1024

void func_i(int *a, int *dest) {
  int i, sum=0;
  for(i=0; i < SIZE; i++) sum += a[i];
  *dest = sum;
}

void func_p(int *a, int *dest) {
  int *p, sum=0;
  for(p=&a[0]; p!=&a[SIZE]; p++) sum += (*p);
  *dest = sum;
}

int main() {
  int i, a[SIZE], dest;
  double tclock, iclock, pclock;

  for(i=0; i < SIZE; i++) a[i] = i;

  start_counter();
  func_i(a, &dest);
  iclock = get_counter();

  for(i=0; i < LOOP; i++) {
    start_counter();
    func_i(a, &dest);
    tclock = get_counter();
    if(tclock < iclock) iclock = tclock;
  }
  
  printf("--- Index Code ---\n");
  printf(" clock = %f dest = %d\n", iclock, dest);
  
  start_counter();
  func_p(a, &dest);
  pclock = get_counter();

  for(i=0; i < LOOP; i++) {
    start_counter();
    func_p(a, &dest);
    tclock = get_counter();
    if(tclock < pclock) pclock = tclock;
  }

  printf("--- Pointer Code ---\n");
  printf(" clock = %f dest = %d\n", pclock, dest);

  return 0;
}

プログラムの先頭でincludeしているヘッダファイルclock.hはCPUのクロック数を測定するための関数start_counter()とget_counter()を呼び出すためのヘッダファイルです。某大学の授業で用いられているものなので、普通の方はこのプログラムをコピペしてそのままコンパイルしようとするとエラーがでます。

for(i=0; i < LOOP; i++)

というループを回して何度も測定を繰り返し、その最小値を取っています。これは、測定中にほかの処理の割り込みが発生して遅くなることはあるが、理想的な値より偶然速くなるということはないためです。

実行結果を以下に示します。


$ ./a
--- Index Code ---
 clock = 8955.000000 clock/element = 8.745117 dest = 523776
--- Pointer Code ---
 clock = 8538.000000 clock/element = 8.337891 dest = 523776

普通にコンパイルをして実行した場合は、ポインタで回すほうが若干ではありますが速いという結果がでました。

次に、gccの最適化オプション(-O2)をつけてコンパイルした実行ファイルを走らせました。


$ ./a
--- Index Code ---
 clock = 2161.000000 clock/element = 2.110352 dest = 523776
--- Pointer Code ---
 clock = 2176.000000 clock/element = 2.125000 dest = 523776

コンパイラの最適化により、2つのコードの速度はほぼ等しくなってしまいました。さらによく見ると、indexでループを回す方がわずかではありますが、ポインタで回すより速いという結果になりました。

このように、現在はポインタを使ってループを回すコードもindexで回すコードも実行速度に大差はなく、場合によってはコンパイラの最適化によってindexを使ったコードの方が（わずかにではありますが）速いことさえあるのです。

測定環境

私が測定に用いたマシンの主なスペックは以下の通りです。この実験の結果は環境によってことなることがあります。

CPU : Pentium M プロセッサ超低電圧版 753
RAM : 1024MB
コンパイラ : gcc (GCC) 3.4.4 (cygming special, gdc 0.12, using dmd 0.125)

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by: * 2008/02/14 01:51 * [ 編集] | page top↑

＞管理人のみに見えるコメントを下さった方

ご指摘ありがとうございます。

恥ずかしいミスをしていました＞＜
そして、コードを変更して実行してみたら私の環境でも通常時はポインタ版の方が速くなりました。

そこで、記事を加筆・修正しました。また、それに伴って、二乗和を求める関数を（一乗）和を求める関数に変更しました。

今後はなおいっそう正確な記事を書くように努めますので、これからも「情報科学を学ぶ大学生のブログ」をよろしくお願いします。

by: TBVector * 2008/02/14 17:49 * URL [ 編集] | page top↑

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