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FizzBuzzを速くする4（うまくいかないこともある）

目次: ベンチマーク

FizzBuzzの実装は簡単ですが、可能な限り高速に出力しようとするとなかなか面白い遊びになります。今回はあるCPUでうまくいっても、他のCPUでは効果がないケースをご紹介します。

実験用に4つのコードを用意しました。出力がボトルネックになって測定結果が不必要に遅く見えないよう、vmspliceとバッファリングは最初から実装します。

• 20231001_fizzbuzz_base.c: 自前のitoaのみ（比較元として使う）
• 20231001_fizzbuzz_30.c: 30個まとめる最適化
• 20231001_fizzbuzz_offset.c: オフセット0xf6アルゴリズム（仮）に置き換え
• 20231001_fizzbuzz_fixed.c: 9桁と10桁を狙い撃ちで最適化

30個まとめて処理する最適化で速くなるのはほぼ確実でしょう。3つ目は、前回（2023年9月23日の日記参照）紹介したオフセット0xf6アルゴリズムです。これも速くなるのはほぼ確実でしょう。

4つ目は、前々回（2023年9月21日の日記参照）紹介した9桁と10桁を狙い撃ちで最適化する方法です。自前のitoa()には効果抜群でしたので、オフセット0xf6アルゴリズムとの相乗効果にも期待したいところです。

省電力PCでの効果

まずは省電力PC（CPU: Pentium J4205）で測定します。

# 20231001_fizzbuzz_base.c

33.3GiB 0:01:06 [ 512MiB/s] [                               <=>                ]

real    1m6.621s
user    1m4.461s
sys     0m5.356s

# 20231001_fizzbuzz_30.c

33.3GiB 0:00:38 [ 877MiB/s] [                                    <=>           ]

real    0m38.860s
user    0m37.459s
sys     0m4.377s

# 20231001_fizzbuzz_offset.c

33.3GiB 0:00:09 [3.45GiB/s] [         <=>                                      ]

real    0m9.671s
user    0m8.047s
sys     0m3.726s

# 20231001_fizzbuzz_fixed.c

33.3GiB 0:00:08 [3.74GiB/s] [        <=>                                       ]

real    0m8.906s
user    0m6.955s
sys     0m4.216s

いずれの最適化も効いていて、4つ目が最速です。良いですね。

デスクトップPCでの効果

次はデスクトップPC（CPU: Ryzen 7 5700X）で測定します。

# 20231001_fizzbuzz_base.c

33.3GiB 0:00:15 [2.11GiB/s] [               <=>                                ]

real    0m15.759s
user    0m15.425s
sys     0m1.345s

# 20231001_fizzbuzz_30.c

33.3GiB 0:00:09 [3.64GiB/s] [         <=>                                      ]

real    0m9.152s
user    0m8.886s
sys     0m1.176s

# 20231001_fizzbuzz_offset.c

33.3GiB 0:00:02 [16.2GiB/s] [  <=>                                             ]

real    0m2.063s
user    0m1.762s
sys     0m1.070s

# 20231001_fizzbuzz_fixed.c

33.3GiB 0:00:02 [15.8GiB/s] [  <=>                                             ]

real    0m2.112s
user    0m1.802s
sys     0m1.080s

なんと9桁と10桁狙い撃ちで最適化すると逆に遅くなりました。時間と高速化の度合いをまとめると、

Ryzen 7 5700Xでなぜ遅くなるのか？は内部構造を知らないので何とも言えませんが、あるCPUに効く最適化が他のCPUだと効果がなかったり逆効果になったりすることは往々にしてあるという好例に思います。

ソースコード

ソースコードはこちらからどうぞ。

•  自前のitoaのみ
•  30個まとめる最適化
•  オフセット0xf6アルゴリズム（仮）に置き換え
•  9桁と10桁を狙い撃ちで最適化

FizzBuzzを速くする3（CPUを変えてみよう）

目次: ベンチマーク

FizzBuzzの実装は簡単ですが、可能な限り高速に出力しようとするとなかなか面白い遊びになります。前回は高速なアルゴリズムを紹介しましたが、CPUを変えたら傾向がどうなるかも見ておきます。

測定環境は、

• AMD Ryzen 7 5700X
• DDR4-3200 32GB x 2
• Linux kernel 6.4.13 (Debian 6.4.13-1)
• GCC 13.2.0 (Debian 12.2.0-14)
• glibc 2.37 (Debian 2.37-7)

では順に測定しましょう。

# fizzbuzz_simple.c

33.3GiB 0:01:41 [ 335MiB/s] [ <=>                                              ]

real    1m41.715s
user    1m38.481s
sys     0m31.222s

# fizzbuzz_myitoa.c

33.3GiB 0:00:22 [1.48GiB/s] [                     <=>                          ]

real    0m22.478s
user    0m14.279s
sys     0m11.151s

# fizzbuzz_9_10.c

33.3GiB 0:00:08 [4.12GiB/s] [        <=>                                       ]

real    0m8.080s
user    0m3.138s
sys     0m12.550s

# fizzbuzz_vmsplice.c

33.3GiB 0:00:03 [10.6GiB/s] [   <=>                                            ]

real    0m3.159s
user    0m2.828s
sys     0m1.654s

基本的にPentiumで有効な高速化手法はRyzenでも有効ですが、効き目という観点で見ると違いがあります。Ryzenの場合、自作アルゴリズムの要である9桁10桁の狙い撃ちがあまり効かないようです。

オフセット0xf6アルゴリズム（仮）も測定しましょう。昨日のコードから少し変更しているのでPentiumでも測りなおします。

# https://github.com/katsuster/fizzbuzz/blob/main/fizzbuzz2.c

33.3GiB 0:00:09 [3.40GiB/s] [         <=>                                      ]

real    0m9.789s
user    0m7.660s
sys     0m4.847s

# https://github.com/katsuster/fizzbuzz/blob/main/fizzbuzz2.c

33.3GiB 0:00:02 [15.3GiB/s] [  <=>                                             ]

real    0m2.184s
user    0m1.827s
sys     0m1.422s

自作アルゴリズムとオフセット0xf6アルゴリズム（仮）を比べると、Pentium J4205の場合はさほど差はありませんでしたが、Ryzen 7の場合は1.5倍程度と大きく差がついています。理由は良くわかりませんが、自作アルゴリズムの方にRyzen 7が苦手とする処理があるのでしょう。

まとめるとこんな感じです。最初（2023年9月21日の日記）にレギュレーションのところで説明したように、1から2^32-2まで（約42億回）FizzBuzzしているのですが、たった2秒で終わってしまいます。Ryzen速いですね……。