Почему этот код Haskell работает медленнее с -O?

87

Этот фрагмент кода Haskell работает намного медленнее -O, но не -Oдолжен быть опасным . Кто-нибудь может сказать мне, что случилось? Если это важно, то это попытка решить эту проблему , и она использует двоичный поиск и постоянное дерево сегментов:

import Control.Monad
import Data.Array

data Node =
      Leaf   Int           -- value
    | Branch Int Node Node -- sum, left child, right child
type NodeArray = Array Int Node

-- create an empty node with range [l, r)
create :: Int -> Int -> Node
create l r
    | l + 1 == r = Leaf 0
    | otherwise  = Branch 0 (create l m) (create m r)
    where m = (l + r) `div` 2

-- Get the sum in range [0, r). The range of the node is [nl, nr)
sumof :: Node -> Int -> Int -> Int -> Int
sumof (Leaf val) r nl nr
    | nr <= r   = val
    | otherwise = 0
sumof (Branch sum lc rc) r nl nr
    | nr <= r   = sum
    | r  > nl   = (sumof lc r nl m) + (sumof rc r m nr)
    | otherwise = 0
    where m = (nl + nr) `div` 2

-- Increase the value at x by 1. The range of the node is [nl, nr)
increase :: Node -> Int -> Int -> Int -> Node
increase (Leaf val) x nl nr = Leaf (val + 1)
increase (Branch sum lc rc) x nl nr
    | x < m     = Branch (sum + 1) (increase lc x nl m) rc
    | otherwise = Branch (sum + 1) lc (increase rc x m nr)
    where m = (nl + nr) `div` 2

-- signature said it all
tonodes :: Int -> [Int] -> [Node]
tonodes n = reverse . tonodes' . reverse
    where
        tonodes' :: [Int] -> [Node]
        tonodes' (h:t) = increase h' h 0 n : s' where s'@(h':_) = tonodes' t
        tonodes' _ = [create 0 n]

-- find the minimum m in [l, r] such that (predicate m) is True
binarysearch :: (Int -> Bool) -> Int -> Int -> Int
binarysearch predicate l r
    | l == r      = r
    | predicate m = binarysearch predicate l m
    | otherwise   = binarysearch predicate (m+1) r
    where m = (l + r) `div` 2

-- main, literally
main :: IO ()
main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    nodes <- fmap (listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words) getLine
    replicateM_ m $ query n nodes
    where
        query :: Int -> NodeArray -> IO ()
        query n nodes = do
            [p, k] <- fmap (map read . words) getLine
            print $ binarysearch (ok nodes n p k) 0 n
            where
                ok :: NodeArray -> Int -> Int -> Int -> Int -> Bool
                ok nodes n p k s = (sumof (nodes ! min (p + s + 1) n) s 0 n) - (sumof (nodes ! max (p - s) 0) s 0 n) >= k

(Это точно такой же код с обзором кода, но этот вопрос решает другую проблему.)

Это мой генератор ввода на C ++:

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
using namespace std;
int main (int argc, char * argv[]) {
    srand(1827);
    int n = 100000;
    if(argc > 1)
        sscanf(argv[1], "%d", &n);
    printf("%d %d\n", n, n);
    for(int i = 0; i < n; i++)
        printf("%d%c", rand() % n + 1, i == n - 1 ? '\n' : ' ');
    for(int i = 0; i < n; i++) {
        int p = rand() % n;
        int k = rand() % n + 1;
        printf("%d %d\n", p, k);
    }
}

Если у вас нет компилятора C ++, это результат./gen.exe 1000 .

Это результат выполнения на моем компьютере:

$ ghc --version
The Glorious Glasgow Haskell Compilation System, version 7.8.3
$ ghc -fforce-recomp 1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ time ./gen.exe 1000 | ./1827.exe > /dev/null
real    0m0.088s
user    0m0.015s
sys     0m0.015s
$ ghc -fforce-recomp -O 1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ time ./gen.exe 1000 | ./1827.exe > /dev/null
real    0m2.969s
user    0m0.000s
sys     0m0.045s

И это сводка профиля кучи:

$ ghc -fforce-recomp -rtsopts ./1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ ./gen.exe 1000 | ./1827.exe +RTS -s > /dev/null
      70,207,096 bytes allocated in the heap
       2,112,416 bytes copied during GC
         613,368 bytes maximum residency (3 sample(s))
          28,816 bytes maximum slop
               3 MB total memory in use (0 MB lost due to fragmentation)
                                    Tot time (elapsed)  Avg pause  Max pause
  Gen  0       132 colls,     0 par    0.00s    0.00s     0.0000s    0.0004s
  Gen  1         3 colls,     0 par    0.00s    0.00s     0.0006s    0.0010s
  INIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  MUT     time    0.03s  (  0.03s elapsed)
  GC      time    0.00s  (  0.01s elapsed)
  EXIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  Total   time    0.03s  (  0.04s elapsed)
  %GC     time       0.0%  (14.7% elapsed)
  Alloc rate    2,250,213,011 bytes per MUT second
  Productivity 100.0% of total user, 83.1% of total elapsed
$ ghc -fforce-recomp -O -rtsopts ./1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ ./gen.exe 1000 | ./1827.exe +RTS -s > /dev/null
   6,009,233,608 bytes allocated in the heap
     622,682,200 bytes copied during GC
         443,240 bytes maximum residency (505 sample(s))
          48,256 bytes maximum slop
               3 MB total memory in use (0 MB lost due to fragmentation)
                                    Tot time (elapsed)  Avg pause  Max pause
  Gen  0     10945 colls,     0 par    0.72s    0.63s     0.0001s    0.0004s
  Gen  1       505 colls,     0 par    0.16s    0.13s     0.0003s    0.0005s
  INIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  MUT     time    2.00s  (  2.13s elapsed)
  GC      time    0.87s  (  0.76s elapsed)
  EXIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  Total   time    2.89s  (  2.90s elapsed)
  %GC     time      30.3%  (26.4% elapsed)
  Alloc rate    3,009,412,603 bytes per MUT second
  Productivity  69.7% of total user, 69.4% of total elapsed
johnchen902
источник
1
Спасибо за включение версии GHC!
dfeuer 02
2
@dfeuer Теперь результат встроен в мой вопрос.
johnchen902
13
Еще один вариант , чтобы попробовать: -fno-state-hack. Тогда мне придется действительно попытаться изучить детали.
dfeuer 02
17
Я не знаю слишком много деталей, но в основном это эвристика для предположения, что определенные функции, которые создает ваша программа (а именно те, которые скрыты в типах IOили ST), вызываются только один раз. Обычно это хорошее предположение, но когда это плохое предположение, GHC может создать очень плохой код. Разработчики довольно долго пытались найти способ получить хорошее без плохого. Я думаю, что Йоахим Брайтнер сейчас над этим работает.
dfeuer 02
2
Это очень похоже на ghc.haskell.org/trac/ghc/ticket/10102 . Обратите внимание, что обе программы используют replicateM_, и GHC ошибочно переместит вычисления из-за пределов replicateM_внутрь, следовательно, повторяет их.
Joachim Breitner

Ответы:

42

Думаю, пора на этот вопрос получить правильный ответ.

Что случилось с вашим кодом с -O

Позвольте мне увеличить вашу основную функцию и немного ее переписать:

main :: IO ()
main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    line <- getLine
    let nodes = listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words $ line
    replicateM_ m $ query n nodes

Очевидно, что здесь подразумевается, что объект NodeArrayсоздается один раз, а затем используется при каждом mвызове query.

К сожалению, GHC фактически преобразует этот код в

main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    line <- getLine
    replicateM_ m $ do
        let nodes = listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words $ line
        query n nodes

и тут проблема сразу видна.

Что такое State hack и почему он снижает производительность моих программ

Причина - в государственной хитрости, которая гласит (примерно): «Когда что-то относится к типу IO a, предположим, что это вызывается только один раз». Официальная документация не намного более сложный:

-fno-state-hack

Отключите «взлом состояния», при котором любая лямбда с токеном State # в качестве аргумента считается однократной, поэтому считается нормальным встраивать в нее вещи. Это может улучшить производительность кода монад ввода-вывода и ST, но рискует уменьшить совместное использование.

Грубо говоря, идея такова: если вы определяете функцию с IOтипом и предложением where, например

foo x = do
    putStrLn y
    putStrLn y
  where y = ...x...

Что-то типичное IO aможно рассматривать как нечто типичное RealWord -> (a, RealWorld). С этой точки зрения вышеизложенное становится (примерно)

foo x = 
   let y = ...x... in 
   \world1 ->
     let (world2, ()) = putStrLn y world1
     let (world3, ()) = putStrLn y world2
     in  (world3, ())

Звонок в foo(обычно) выглядел бы так foo argument world. Но определение fooпринимает только один аргумент, а второй используется только позже локальным лямбда-выражением! Это будет очень медленный звонок foo. Было бы намного быстрее, если бы код выглядел так:

foo x world1 = 
   let y = ...x... in 
   let (world2, ()) = putStrLn y world1
   let (world3, ()) = putStrLn y world2
   in  (world3, ())

Это называется эта-расширением и выполняется по разным причинам (например, путем анализа определения функции , проверки того, как она вызывается , и - в данном случае - эвристики, ориентированной на тип).

К сожалению, это снижает производительность, если вызов fooдействительно имеет форму let fooArgument = foo argument, то есть с аргументом, но не worldпередан (пока). В исходном коде if fooArgument, затем используется несколько раз, по- yпрежнему будет вычисляться только один раз и использоваться совместно. В измененном коде yбудет каждый раз пересчитываться - именно то, что произошло с вашим nodes.

Что можно исправить?

Возможно. См. # 9388 для попытки сделать это. Проблема с его исправлением заключается в том, что это будет стоить производительности во многих случаях, когда преобразование происходит нормально, даже если компилятор не может знать этого наверняка. И, вероятно, есть случаи, когда это технически не в порядке, т. Е. Совместное использование теряется, но оно все же полезно, потому что ускорение от более быстрого вызова перевешивает дополнительные затраты на пересчет. Так что непонятно, куда идти дальше.

Иоахим Брайтнер
источник
4
Очень интересно! Но я не совсем понял, почему: «другой будет потребляться позже только локальным лямбда-выражением! Это будет очень медленный вызов foo»?
imz - Иван Захарящев 03
Есть ли обходной путь для конкретного местного случая? -f-no-state-hackпри компиляции кажется довольно тяжелым. {-# NOINLINE #-}кажется очевидным, но я не могу придумать, как это применить здесь. Возможно, было бы достаточно просто выполнить nodesдействие ввода-вывода и полагаться на последовательность >>=?
Barend Venter
Я также видел , что замена replicateM_ n fooс forM_ (\_ -> foo) [1..n]помогает.
Joachim Breitner