本文主要是介绍冷热字段分离提升程序局部性，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
突然想起了上学期课堂上的一个提升程序局部性的案例，我觉得非常有意思，写篇博客记录一下。
1 场景
案例场景非常简单，就是遍历访问大结构体数组的某一字段。对应到下图，funcA要访问a[N]的fld3字段，funcB中要访问b[N]的fld5字段。
在这个场景中，程序要访问的结构体数组很大（单个结构体要占用600B内存），然而，要访问的字段却很小，大约1B-4B。总结来说，就是，大结构体数组，按行存储，按列访问。
这段程序的问题是，超过90%进入cache的数据不会被利用。在当前主流架构下，cache line的大小是64B，一次加载的粒度自然也是64B。那么，在这种场景下，缓存到cache的绝大部分数据是无效数据。一方面，这会对程序没有发挥出最好的性能；另一方面，无效的数据移动会带来很大的能量消耗，在嵌入式场景下，application对能耗还是很敏感的。
2 改进
其实，要解决这个问题，思路很简单，就是要把结构体数组中的热字段放在一块，冷字段放在一块。这样的话，cache命中率自然就提升上去了。
2.1 手工调整数据结构
这种方法简单粗暴，理论上没啥问题，就是有点费程序猿。具体来讲，有两种方法。
2.1.1 方法1
这种方法是在结构体内存调整字段顺序，将热字段靠拢放置。就比如，下图struct A中的fld3和fld5是热字段，把两者放在一块就好了。这样一次cache line加载就可以将两个字段同时放入cache。
- 这种方法存在问题
- 一个结构体中所有热字段可能不够64B，cache还是会加载很多的无效数据。
- 结构体中可能会嵌有很多子结构体，不同子结构体的热字段无法并拢。
- 调整后字段顺序后的代码可读性下降。
2.1.2 方法2
这种方法重构了结构体，将热字段单独成立一个结构体，冷字段成立成另外一个结构体。如下图，struct A被拆分为了struct A hot和struct A cold，这样的话，热字段fld3就可以放在一块了，cache line加载可以最大程度上避免冷数据放入cache。
- 这种方法存在问题
- 重构结构体，调整字段顺序，代码可读性大大下降。
- 源代码改造涉及面广，人工修改工作量巨大，易错。
2.2 自动代码变形
另外一种思路是做自动化工具，也就是做一个编译器，这个编译器自动帮我们进行冷热字段分离，这比手工改的逼格高得多了。具体来讲，也有两种方法。
2.2.1 源到源编译器
这种方法其实就是把手工调整数据结构的方法2进行自动化实现：输入.h\.c源代码文件，输出优化后的.h\.c源代码文件。
- 这种方法存在问题
- 源代码中的程序写法千变万化，自动化工具要识别出所有的写法有点不大现实。
2.2.2 IR2IR编译器
这种方法的思路是，既然在源代码层不好做自动化工具，那就考虑改IR，毕竟IR要规整的多。如下图，自动化工具会先运行一遍程序，识别出热字段，然后，在IR层修改，输出优化后的二进制程序。
使用IR2IR编译器优化后的程序，运行时间由6.9ms提升至6.7ms，提速了3%。
这篇关于冷热字段分离提升程序局部性的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
