Практическая польза fast-типов

Как замена uint32_t на uint_fast32_t позволяет достичь хорошего прироста скорости

В данной статье речь пойдёт о типах int_fastXX_t/uint_fastXX_t из stdint.h.

Мне было интересно потестировать параллельную реализацию шифрования алгоритмом ГОСТ 28147–89 на многоядерных процессорах (с использованием OpenMP, но это тема для отдельной статьи).

Как известно, ГОСТ 28147–89 — блочный шифр, оперирующий 64-битными (uint64_t) блоками. При выполнении зашифрования в режиме простой замены открытый текст разбивается на две половины (uint32_t). В принципе, это всё, что пока нужно знать

Те, кто знакомы с особенностями архитектур 32- и 64-битных процессоров, знают, что 32-битные процессоры быстрее обрабатывают 32-битные числа, а 64-битные — соответственно, 64-битные.

В стандарте C99 языка C в файле <stdint.h> определены так называемые "быстрые типы": int_fast8_t, int_fast16_t, int_fast32_t, int_fast64_t, uint_fast8_t, uint_fast16_t, uint_fast32_t и uint_fast64_t.

Тип (u)int_fastXX_t определяет наиболее быстродействующий (без)знаковый тип, имеющий как минимум XX бит. Например, для 32-битных процессоров uint_fast32_t = uint32_t, а для 64-битных — uint_fast32_t = uint64_t (ибо, как уже говорилось выше, 64-битный процессор обрабатывает 64-битные числа быстрее, нежели 32-битные).

А теперь собственно о практической пользе. Раунд зашифрования по ГОСТ 28147–89 имеет следующий вид:

Обращу внимание на явное приведение индекса массива к типу uint8_t: в случае с gcc это быстрее, чем t & 0xFF.

При таком коде зашифрование 100 МиБ случайного бинарного мусора (из /dev/urandom) на процессоре AMD Athlon™ 64 X2 Dual Core Processor 5400+ занимает в среднем 1.85 сек (при сборке кода с опциями gcc -O3 -mtune=native -fomit-frame-pointer), что соответствует примерно 54.1 МиБ/сек.

Если же заменить uint32_t на uint_fast32_t, получим среднее время выполнения 1.62 сек, что соответствует примерно 61.7 МиБ/сек.

Итого: выигрыш составил 7.6 МиБ/сек, что не так уж и мало, если приходится на лету шифровать гигабайты информации (на 10 ГиБ разница составляет порядка 23 сек).