为什么打开 gfortran 编译器优化后 matmul 变慢？

Question

如果我在我的 Mac 上使用 gfortran (Homebrew GCC 8.2.0) 来编译下面没有优化的简单程序 (-O0)，对 matmul 的调用始终在 ~90 毫秒内执行。如果我使用任何优化（标志 -O1、-O2 或 -O3），执行时间会增加到 ~250 毫秒。我已经尝试为 inVect 和 matrix 使用各种不同的大小，但在所有情况下，-O0 选项至少优于其他三个优化标志 2.5 的系数。如果我使用只有几百个元素的较小矩阵，但循环多次调用 matmul，性能损失会更糟，接近 10 倍。

有什么方法可以避免这种行为？我需要在我的代码的某些部分使用优化，但与此同时，我也想尽可能高效地执行矩阵乘法。

我使用命令 gfortran -ON sandbox.f90 编译包含以下代码的文件 sandbox.f90，其中 N 是优化级别 0-3（未使用其他编译器标志）。打印 outVect 的第一个值只是为了防止 gfortran 优化变得聪明并完全跳过对 matmul 的调用。

我是 Fortran 新手，所以如果我在这里遗漏了一些明显的东西，我提前道歉。

program main
implicit none
    real :: inVect(20000), matrix(20000,10000), outVect(10000)
    real :: start, finish

    call random_number(inVect)
    call random_number(matrix)
        
    call cpu_time(start)
    outVect = matmul(inVect, matrix)
    call cpu_time(finish)

    print '("Time = ",f10.7," seconds. – First Value = ",f10.4)',finish-start,outVect(1)
end program main

Answer 1

首先，考虑到我可能是错的。我也是第一次看到这个问题，和你一样惊讶。

我刚刚研究了这个问题，我的理解如下。优化 -O0、O3、Ofast 和... 是为大多数一般（频繁）情况编写的。然而，在某些情况下（当 -O3 比 -O*<-O3 效率低时）优化会带来缺点。这是因为这些优化会隐式调用标志，从而缩短特定任务的执行时间。对于您的情况， -O3 强制要求所有 matmul() 函数都将被内联。这样的事情通常是好的，但对于大数组或多次调用此函数不是必需的。不知何故，内联 matmul() 的成本比内联函数获得的收益更重要（至少我是这样看的）。

为了避免这种行为，我建议使用标志 -O3 -finline-matmul-limit=0 来取消 matmul 函数的内联。使用标志 -O3 -finline-matmul-limit=0 导致的执行时间不比 -O0.

获得的执行时间差

您可以使用 -finline-matmul-limit=n，只有当所涉及的数组小于 n 时，您才会内联 matmul 函数。为了简单起见，我使用 n=0。

希望对您有所帮助。

为什么打开 gfortran 编译器优化后 matmul 变慢？

Why is matmul slower with gfortran compiler optimization turned on?

optimization

fortran

gfortran

matrix-multiplication