【译】AS3利用CPU缓存

利用CPU缓存

 

计算机有随机存取存储器RAM（译注：即我们常说的内存），但有更快形式的存储器。如果你希望你的应用程序的快速运行，你需要知道这些其他的存储器。今天的文章中讨论了它们，并给出了两个AS3例子，即使有这样的高级语言，你仍然可以利用它们。

RAM的确很快，但只是与硬盘，固态硬盘，光盘，互联网等等与比较时。RAM与CPU内置的高速缓存相比，它并不快。你可能已经听说过他们，CPU高速缓存的级别分别称为：L1，L2和L3。

CPU高速缓存用来存储小块的RAM内容。当RAM被请求时，可以使用更快的高速缓存，而不是...但只有当所请求的RAM是在高速缓存中的。这就是所谓的高速缓存“命中”。如果高速缓存“miss”，CPU需要从较慢的RAM来获取。

CPU的高速缓存策略各不相同，但RAM连续块通常存储在缓存中（译注：因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。不清楚的可以回去补下课）。这意味着，如果你的应用程序的工作在连续的内存块（如一个Vector）上并且大小不超过高速缓存大小限制，那么CPU高速缓存将被命中，而不是从RAM中读取，将收获一个大的性能取胜。

用一个有点做作的例子来证明这一点，访问一个大Vector中所有的元素模拟RAM。分别顺序访问，随机访问它们。为了消除Math.random调用的影响，通过2个Vector来存储访问元素的索引值。在随机访问的情况下，Vector中存的索引值是随机的，这样元素将被随机读取。下面是10个元素的向量的例子，两个索引值Vector可能如下所示：

/ /顺序访问（索引Vector中存储的index值）

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

/ /随机访问（索引Vector中存储的index值）

2 3 9 1 4 0 6 8 5 7

测试运行的环境：

Release version of Flash Player 12.0.0.41

2.3 Ghz Intel Core i7-3615QM (256 KB L2 per core, 6 MB L3 cache)

Mac OS X 10.9.1

Google Chrome 32.0.1700.77

ASC 2.0.0 build 354071 (-debug=false -verbose-stacktraces=false -inline -optimize=true)

测试得到的结如下：

访问方式	耗时
顺序	27
随机	169

 

由此我们可以看到使用了CPU缓存的顺序访问，比没有使用CPU缓存的随机访问性能高6+倍。访问内存的顺序真的很重要！

诚然上面的例子有点做作，但下面的例子是处理实际问题：遍历BitmapData的像素。需要一个循环来遍历行（Y），一个循环来遍历列（X）。哪个作为外循环，哪个作为内循环？

实际上，BitmapData是“逐行”存储的。下面是3x2 BitmapData：

(0,0) (1,0) (2,0) (0,1) (1,1) (1,2)

如果外循环是遍历列（X），访问这些内存的地址如下：

0 4 8 1 5 9 2 6 10 3 7 11

但是如果外循环是遍历行（Y），访问顺序如下：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

正如我们上面所了解到，顺序访问可以利用CPU缓存。似乎只是跳序了一点点，但是当BitmapData实例很大的时候问题开始真正出现。如果BitmapData为2048×2，前四个内存访问将是0，2047，1，2048。

下面的例子比较了2048×2048的BitmapData这两种循环策略，测试环境与上面的相同：

BITMAPDATA外循环	耗时
行	89
列	348

 

这里的性能优势不像上面访问Vector那么大，但遍历相同的像素时它仍然是高达4倍的优势。如果BitmapData是更大的，优势只会更大。这在CPU的缓存比我的测试环境中少的情况更明显。

下面是测试应用程序的源代码：

Code：

package

{

      import flash.display.BitmapData;

      import flash.display.Sprite;

      import flash.display.StageAlign;

      import flash.display.StageScaleMode;

      import flash.text.TextField;

      import flash.text.TextFieldAutoSize;

      import flash.utils.getTimer;

      public class CacheTest extends Sprite

      {

            private var logger:TextField = new TextField();

            private function row(...cols): void

            {

                  logger.appendText(cols.join(",")+"\n");

            }

            public function CacheTest()

            {

                  stage.scaleMode = StageScaleMode.NO_SCALE;

                  stage.align = StageAlign.TOP_LEFT;

                  logger.autoSize = TextFieldAutoSize.LEFT;

                  addChild(logger);

                  testVector();

                  row();

                  testBitmapData();

            }

            private function testVector(): void

            {

                  const SIZE:int = 10000000;

                  var beforeTime:int;

                  var afterTime:int;

                  var i:int;

                  var sum:int;

                  // Build vectors of indices

                  var inOrder:Vector.<int> = new Vector.<int>(SIZE);

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

                  {

                        inOrder[i] = i;

                  }

                  var randomOrder:Vector.<int> = inOrder.slice();

                  shuffle(randomOrder);

                  row("Vector Access", "Time");

                  sum = 0;

                  beforeTime = getTimer();

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

                  {

                        sum += inOrder[inOrder[i]];

                  }

                  afterTime = getTimer();

                  row("Sequential", (afterTime-beforeTime));

                  sum = 0;

                  beforeTime = getTimer();

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

                  {

                        sum += randomOrder[randomOrder[i]];

                  }

                  afterTime = getTimer();

                  row("Random", (afterTime-beforeTime));

            }

            private function testBitmapData(): void

            {

                  var SIZE:int = 2048;

                  var bmd:BitmapData = new BitmapData(SIZE, SIZE, true, 0xff123456);

                  var curRow:int;

                  var curCol:int;

                  var sum:int;

                  var beforeTime:int;

                  var afterTime:int;

                  row("BitmapData Outer Loop", "Time");

                  sum = 0;

                  beforeTime = getTimer();

                  for (curRow = 0; curRow < SIZE; ++curRow)

                  {

                        for (curCol = 0; curCol < SIZE; ++curCol)

                        {

                               sum += bmd.getPixel32(curCol, curRow);

                        }

                  }

                  afterTime = getTimer();

                  row("Row", (afterTime-beforeTime));

                  sum = 0;

                  beforeTime = getTimer();

                  for (curCol = 0; curCol < SIZE; ++curCol)

                  {

                        for (curRow = 0; curRow < SIZE; ++curRow)

                        {

                               sum += bmd.getPixel32(curCol, curRow);

                        }

                  }

                  afterTime = getTimer();

                  row("Col", (afterTime-beforeTime));

            }

            private function shuffle(vec:Vector.<int>): void

            {

                  var len:uint = vec.length;

                  while (len)

                  {

                        var index:uint = Math.floor(Math.random() * len);

                        len--;

                        var temp:int = vec[len];

                        vec[len] = vec[index];

                        vec[index] = temp;

                  }

            }

      }

}

 

 

运行测试程序（http://files.jacksondunstan.com/articles/2491/CacheTest.swf）。

原文链接：http://jacksondunstan.com/articles/2491