從我使用 C++ 代碼完成了不同編譯器的基準測試到現(xiàn)在，已經有一段時間了。由于我最近發(fā)布了 ETL 項目的 1.1 版(一個具有表達式模板的優(yōu)化矩陣/向量計算庫)，所以我決定使用它作為我的基準測試的基版本。它是一個帶有大量模板的 C++ 14 庫。我要編譯完整的測試套件(124 個測試用例)。這是直接在最新版本(1.1)的代碼上完成的。我將在調試模式下編譯一次，并在 release_debug(release + debug 符號和斷言)下進行一次編譯，并記錄每個編譯器的執(zhí)行時間。該測試將使用支持 ETL 中的每個選項的配置進行編譯，以此計算最大的編譯時間。每次編譯都使用四個線程(make -j4)。 我還做了一些基準測試，以了解每個編譯器生成的代碼間的運行時的性能差異。基準測試將編譯為發(fā)布模式，并記錄其編譯時間。

我將測試以下編譯器：

• GCC-4.9.4
• GCC-5.4.0
• GCC-6.3.0
• GCC-7.1.0
• clang-3.9.1
• clang-4.0.1
• zapcc-1.0 (商業(yè)版，基于 clang-5.0 主分支)

所有這些都是直接使用 Portage(Gentoo 軟件包管理器)安裝的，除了從源代碼安裝的 clang-4.0.1 以及沒有 Gentoo 軟件包的 zapcc。由于 Gentoo 上的 clang 包不支持多進程，所以我不得不從源代碼中安裝一個版本，從包管理器中安裝另一個版本。這也是我測試較少版本的 clang 的原因，更實用點。

為了實現(xiàn)這些測試的目標，所有編譯器都使用了完全相同的選項。通常，我在 clang 上使用比 GCC 更多不同的選項(主要是考慮到在 clang 上更嚴格的向量化選項)。這可能不會使得每個編譯器達到最佳性能，但可以對使用默認優(yōu)化級別的輸出之間進行比較。以下是使用的主要選項：

• 調試模式下: -g
• 發(fā)布+調試模式下: -g -O2
• 發(fā)布模式下: -g -O3 -DNDEBUG -fomit-frame-pointer

每種情況都啟用了許多警告，ETL 選項也是一樣的。

所有的測試結果都是運行在 Intel Core i7-2600(Sandy Bridge ...)@ 3.4GHz 上的 Gentoo 機器上收集的，該機器具有 4 核和 8 線程、12G 的 RAM 和一個 SSD。我盡可能地從干擾項中分離出基準數(shù)據(jù)，并且我的基準代碼是相當健全的，但是有些結果可能并不完全準確。此外，一些基準測試是在使用多線程，這可能會增加一些干擾和不可預測性。當我對測試結果不太確定時，我會多次運行基準測試以對此確認，并且總體而言，我對結果很有信心。

編譯時間

讓我們從編譯器自身的性能結果開始：

注： 在 Release_Debug 和 Benchmark，我對 zapcc 只使用了三個線程， 因為 12Go 的內存對于四個線程并不足夠。

不同的編譯器之間有一些非常重要的區(qū)別。總地來說，clang-4.0.1 是迄今為止調試模式下最快的免費編譯器。然而，當測試代碼被添加優(yōu)化選項加以編譯，clang 就落后了。在調試模式和發(fā)布模式下，clang-4.0.1 比 clang-3.9.1 快得多，這一點令人印象深刻。在這一點上 clang 團隊干得不錯!這些優(yōu)化，使得 clang-4.0.1 在發(fā)布模式下幾乎與 gcc-7.1 平分秋色。對于 GCC 來說，優(yōu)化的成本似乎一直在顯著地上升。然而， GCC 7.1 似乎使得優(yōu)化加快，也使得標準編譯快了許多。如果我們考慮 zapcc，這是調試模式下最快的編譯器，但它的速度在發(fā)布模式下比幾個 gcc 版本要慢。

總地來說，我對 clang-4.0.1 的性能印象深刻，它看起來真快!在不久的將來，我一定會用這個新版本做更多的測試。看到 g++-7.1 的編譯速度確實快于 gcc-6.3，也同樣令人欣慰。然而，對優(yōu)化而言，最快的 gcc 版本仍然是 gcc-4.9.4 ，這已經是一個對 C++ 標準低支持的老版本。

運行時性能

現(xiàn)在來看看生成的代碼的質量。對于一些基準測試，我已經包含了兩個版本的算法。 std 是最簡單的算法(原始版)，vec 是手工向量化和優(yōu)化的實現(xiàn)版本。所有的測試都是在單精度浮點上完成的。

點乘

運行的第一個基準是計算兩個向量之間的點積。讓我們先看看原始版的性能：

不同的編譯器之間的差異不是很大。基于 clang 的編譯器似乎是生成速度最快代碼的編譯器。有趣的是，gcc-6.3 似乎在大數(shù)據(jù)量的容器中有一個很大的性能衰減，但在 gcc-7.1 中已經解決了。

如果我們查看優(yōu)化版本的結果，其中差異更小。同樣，基于 clang 的編譯器生成的可執(zhí)行文件是最快的，但緊隨其后的是 gcc，除了 gcc-6.3 之外，我們仍然可以看到與之前相同的性能衰退。

Logistic Sigmoid

下一個測試是檢查 sigmoid 操作的性能。在這種情況下，庫的評估者將嘗試使用并行化和向量化來計算。讓我們看看不同編譯器的開銷如何：

有趣的是，我們可以看到，gcc-7.1 在少量數(shù)據(jù)時是最快的，而 clang-4.0 最適合生成較大數(shù)據(jù)時的代碼。然而，除了最大的向量大小，差異并不是很明顯。顯然，zapcc(或 clang-5.0)有一個回歸，因為它比 clang-4.0 慢，并與 clang-3.9 相同速度。

Y = Alpha * X + Y (axpy)

第三個基準是著名的 axpy(y = alpha * x + y)。這是完全由庫中的表達式模板決定的，沒有使用特定的算法。我們來看看結果：

即使是最大的 vector，一旦向量化和并行化之后，這也是一個非常快速的操作。以這種速度，觀察到的一些差異可能不是很重要。再次，基于 clang 的版本是這段代碼中最快的版本，但差異還是很小。在 gcc-7.1 中似乎還有一點回歸，但這也是相當小的。

矩陣間的乘法 (GEMM)

下一個基準測試是測試 Matrix-Matrix 乘法的性能，這是在 BLAS 命名中被稱為 GEMM 的操作。在這種情況下，我們同時測試原始的和優(yōu)化的向量化實現(xiàn)。為了節(jié)省一些橫向空間，我把表分成兩部分。

這一次，不同編譯器之間的性能差異非常大。clang 編譯器現(xiàn)在是大幅度領先，其中 clang-4.0 是他們中最快的(也有不錯的提升幅度)。事實上，clang-4.0.1 生成代碼，平均比最好的 GCC 編譯器生成的代碼速度快兩倍。非常有趣的是，從 GCC-5.4 開始，我們可以看到一個巨大的性能衰退，而且這種衰退還在 GCC-7.1 中。事實上，測試版本中最好的 GCC 版本依然是 GCC-4.9.4。Clang 真的在編譯 GEMM 代碼方面做得很好。

至于優(yōu)化的版本，這兩大家族是相反的。的確，GCC 在這方面做的工作比 clang 要好，盡管差距沒有以前那么大了，但還是值得注意。我們還是可以觀察到 GCC 版本中的一個小回歸，因為 4.9 版本依然是最快的。至于 clang 版本，似乎 clang-5.0 (在 zapcc 中使用)在這個例子中有了很多的性能改進。

在這個例子中矩陣相乘，它是非常令人印象深刻的，優(yōu)化與非優(yōu)化代碼在性能上差異非常巨大。并且，令人印象深刻的是，每種類型的編譯器都有它們的長處，clang 看起來更適合處理沒優(yōu)化過的代碼，而 GCC 更適合處理向量化的代碼。