Tizen 2.1 base
[external/gmp.git] / tune / README
1 Copyright 2000, 2001, 2002, 2004 Free Software Foundation, Inc.
2
3 This file is part of the GNU MP Library.
4
5 The GNU MP Library is free software; you can redistribute it and/or modify
6 it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
7 the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your
8 option) any later version.
9
10 The GNU MP Library is distributed in the hope that it will be useful, but
11 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY
12 or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public
13 License for more details.
14
15 You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
16 along with the GNU MP Library.  If not, see http://www.gnu.org/licenses/.
17
18
19
20
21
22                GMP SPEED MEASURING AND PARAMETER TUNING
23
24
25 The programs in this directory are for knowledgeable users who want to
26 measure GMP routines on their machine, and perhaps tweak some settings or
27 identify things that can be improved.
28
29 The programs here are tools, not ready to run solutions.  Nothing is built
30 in a normal "make all", but various Makefile targets described below exist.
31
32 Relatively few systems and CPUs have been tested, so be sure to verify that
33 results are sensible before relying on them.
34
35
36
37
38 MISCELLANEOUS NOTES
39
40 --enable-assert
41
42     Don't configure with --enable-assert, since the extra code added by
43     assertion checking may influence measurements.
44
45 Direct mapped caches
46
47     Some effort has been made to accommodate CPUs with direct mapped caches,
48     by putting data blocks more or less contiguously on the stack.  But this
49     will depend on TMP_ALLOC using alloca, and even then it may or may not
50     be enough.
51
52 FreeBSD 4.2 i486 getrusage
53
54     This getrusage seems to be a bit doubtful, it looks like it's
55     microsecond accurate, but sometimes ru_utime remains unchanged after a
56     time of many microseconds has elapsed.  It'd be good to detect this in
57     the time.c initializations, but for now the suggestion is to pretend it
58     doesn't exist.
59
60         ./configure ac_cv_func_getrusage=no
61
62 NetBSD 1.4.1 m68k macintosh time base
63
64     On this system it's been found getrusage often goes backwards, making it
65     unusable (time.c getrusage_backwards_p detects this).  gettimeofday
66     sometimes doesn't update atomically when it crosses a 1 second boundary.
67     Not sure what to do about this.  Expect possible intermittent failures.
68
69 SCO OpenUNIX 8 /etc/hw
70
71     /etc/hw takes about a second to return the cpu frequency, which suggests
72     perhaps it's measuring each time it runs.  If this is annoying when
73     running the speed program repeatedly then set a GMP_CPU_FREQUENCY
74     environment variable (see TIME BASE section below).
75
76 Timing on GNU/Linux
77
78     On Linux, timing currently uses the cycle counter. This is unreliable,
79     since the counter is not saved and restored at context switches (unlike
80     FreeBSD and Solaris where the cycle counter is "virtualized").
81
82     Using the clock_gettime method with CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID (posix) or
83     CLOCK_VIRTUAL (BSD) should be more reliable. To get clock_gettime
84     with glibc, one has to link with -lrt (which also drags in the pthreads
85     threading library). configure.in must be hacked to detect this and
86     arrange proper linking. Something like
87
88       old_LIBS="$LIBS"
89       AC_SEARCH_LIBS(clock_gettime, rt, [AC_DEFINE(HAVE_CLOCK_GETTIME)])
90       TUNE_LIBS="$LIBS"
91       LIBS="$old_LIBS"
92
93       AC_SUBST(TUNE_LIBS)
94     
95     might work.
96
97 Low resolution timebase
98
99     Parameter tuning can be very time consuming if the only timebase
100     available is a 10 millisecond clock tick, to the point of being
101     unusable.  This is currently the case on VAX and ARM systems.
102
103
104
105
106 PARAMETER TUNING
107
108 The "tuneup" program runs some tests designed to find the best settings for
109 various thresholds, like MUL_TOOM22_THRESHOLD.  Its output can be put
110 into gmp-mparam.h.  The program is built and run with
111
112         make tune
113
114 If the thresholds indicated are grossly different from the values in the
115 selected gmp-mparam.h then there may be a performance boost in applicable
116 size ranges by changing gmp-mparam.h accordingly.
117
118 Be sure to do a full reconfigure and rebuild to get any newly set thresholds
119 to take effect.  A partial rebuild is enough sometimes, but a fresh
120 configure and make is certain to be correct.
121
122 If a CPU has specific tuned parameters coming from a gmp-mparam.h in one of
123 the mpn subdirectories then the values from "make tune" should be similar.
124 But check that the configured CPU is right and there are no machine specific
125 effects causing a difference.
126
127 It's hoped the compiler and options used won't have too much effect on
128 thresholds, since for most CPUs they ultimately come down to comparisons
129 between assembler subroutines.  Missing out on the longlong.h macros by not
130 using gcc will probably have an effect.
131
132 Some thresholds produced by the tune program are merely single values chosen
133 from what's a range of sizes where two algorithms are pretty much the same
134 speed.  When this happens the program is likely to give somewhat different
135 values on successive runs.  This is noticeable on the toom3 thresholds for
136 instance.
137
138
139
140
141 SPEED PROGRAM
142
143 The "speed" program can be used for measuring and comparing various
144 routines, and producing tables of data or gnuplot graphs.  Compile it with
145
146         make speed
147
148 (Or on DOS systems "make speed.exe".)
149
150 Here are some examples of how to use it.  Check the code for all the
151 options.
152
153 Draw a graph of mpn_mul_n, stepping through sizes by 10 or a factor of 1.05
154 (whichever is greater).
155
156         ./speed -s 10-5000 -t 10 -f 1.05 -P foo mpn_mul_n
157         gnuplot foo.gnuplot
158
159 Compare mpn_add_n and an mpn_lshift by 1, showing times in cycles and
160 showing under mpn_lshift the difference between it and mpn_add_n.
161
162         ./speed -s 1-40 -c -d mpn_add_n mpn_lshift.1
163
164 Using option -c for times in cycles is interesting but normally only
165 necessary when looking carefully at assembler subroutines.  You might think
166 it would always give an integer value, but this doesn't happen in practice,
167 probably due to overheads in the time measurements.
168
169 In the free-form output the "#" symbol against a measurement means the
170 corresponding routine is fastest at that size.  This is a convenient visual
171 cue when comparing different routines.  The graph data files <name>.data
172 don't get this since it would upset gnuplot or other data viewers.
173
174
175
176
177 TIME BASE
178
179 The time measuring method is determined in time.c, based on what the
180 configured host has available.  A cycle counter is preferred, possibly
181 supplemented by another method if the counter has a limited range.  A
182 microsecond accurate getrusage() or gettimeofday() will work quite well too.
183
184 The cycle counters (except possibly on alpha) and gettimeofday() will depend
185 on the machine being otherwise idle, or rather on other jobs not stealing
186 CPU time from the measuring program.  Short routines (those that complete
187 within a timeslice) should work even on a busy machine.
188
189 Some trouble is taken by speed_measure() in common.c to avoid ill effects
190 from sporadic interrupts, or other intermittent things (like cron waking up
191 every minute).  But generally an idle machine will be necessary to be
192 certain of consistent results.
193
194 The CPU frequency is needed to convert between cycles and seconds, or for
195 when a cycle counter is supplemented by getrusage() etc.  The speed program
196 will convert as necessary according to the output format requested.  The
197 tune program will work with either cycles or seconds.
198
199 freq.c knows how to get the frequency on some systems, or can measure a
200 cycle counter against gettimeofday() or getrusage(), but when that fails, or
201 needs to be overridden, an environment variable GMP_CPU_FREQUENCY can be
202 used (in Hertz).  For example in "bash" on a 650 MHz machine,
203
204         export GMP_CPU_FREQUENCY=650e6
205
206 A high precision time base makes it possible to get accurate measurements in
207 a shorter time.
208
209
210
211
212 EXAMPLE COMPARISONS - VARIOUS
213
214 Here are some ideas for things that can be done with the speed program.
215
216 There's always going to be a certain amount of overhead in the time
217 measurements, due to reading the time base, and in the loop that runs a
218 routine enough times to get a reading of the desired precision.  Noop
219 functions taking various arguments are available to measure this.  The
220 "overhead" printed by the speed program each time in its intro is the "noop"
221 routine, but note that this is just for information, it isn't deducted from
222 the times printed or anything.
223
224         ./speed -s 1 noop noop_wxs noop_wxys
225
226 To see how many cycles per limb a routine is taking, look at the time
227 increase when the size increments, using option -D.  This avoids fixed
228 overheads in the measuring.  Also, remember many of the assembler routines
229 have unrolled loops, so it might be necessary to compare times at, say, 16,
230 32, 48, 64 etc to see what the unrolled part is taking, as opposed to any
231 finishing off.
232
233         ./speed -s 16-64 -t 16 -C -D mpn_add_n
234
235 The -C option on its own gives cycles per limb, but is really only useful at
236 big sizes where fixed overheads are small compared to the code doing the
237 real work.  Remember of course memory caching and/or page swapping will
238 affect results at large sizes.
239
240         ./speed -s 500000 -C mpn_add_n
241
242 Once a calculation stops fitting in the CPU data cache, it's going to start
243 taking longer.  Exactly where this happens depends on the cache priming in
244 the measuring routines, and on what sort of "least recently used" the
245 hardware does.  Here's an example for a CPU with a 16kbyte L1 data cache and
246 32-bit limb, showing a suddenly steeper curve for mpn_add_n at about 2000
247 limbs.
248
249         ./speed -s 1-4000 -t 5 -f 1.02 -P foo mpn_add_n
250         gnuplot foo.gnuplot
251
252 When a routine has an unrolled loop for, say, multiples of 8 limbs and then
253 an ordinary loop for the remainder, it can happen that it's actually faster
254 to do an operation on, say, 8 limbs than it is on 7 limbs.  The following
255 draws a graph of mpn_sub_n, to see whether times smoothly increase with
256 size.
257
258         ./speed -s 1-100 -c -P foo mpn_sub_n
259         gnuplot foo.gnuplot
260
261 If mpn_lshift and mpn_rshift have special case code for shifts by 1, it
262 ought to be faster (or at least not slower) than shifting by, say, 2 bits.
263
264         ./speed -s 1-200 -c mpn_rshift.1 mpn_rshift.2
265
266 An mpn_lshift by 1 can be done by mpn_add_n adding a number to itself, and
267 if the lshift isn't faster there's an obvious improvement that's possible.
268
269         ./speed -s 1-200 -c mpn_lshift.1 mpn_add_n_self
270
271 On some CPUs (AMD K6 for example) an "in-place" mpn_add_n where the
272 destination is one of the sources is faster than a separate destination.
273 Here's an example to see this.  ".1" selects dst==src1 for mpn_add_n (and
274 mpn_sub_n), for other values see speed.h SPEED_ROUTINE_MPN_BINARY_N_CALL.
275
276         ./speed -s 1-200 -c mpn_add_n mpn_add_n.1
277
278 The gmp manual points out that divisions by powers of two should be done
279 using a right shift because it'll be significantly faster than an actual
280 division.  The following shows by what factor mpn_rshift is faster than
281 mpn_divrem_1, using division by 32 as an example.
282
283         ./speed -s 10-20 -r mpn_rshift.5 mpn_divrem_1.32
284
285
286
287
288 EXAMPLE COMPARISONS - MULTIPLICATION
289
290 mul_basecase takes a ".<r>" parameter which is the first (larger) size
291 parameter.  For example to show speeds for 20x1 up to 20x15 in cycles,
292
293         ./speed -s 1-15 -c mpn_mul_basecase.20
294
295 mul_basecase with no parameter does an NxN multiply, so for example to show
296 speeds in cycles for 1x1, 2x2, 3x3, etc, up to 20x20, in cycles,
297
298         ./speed -s 1-20 -c mpn_mul_basecase
299
300 sqr_basecase is implemented by a "triangular" method on most CPUs, making it
301 up to twice as fast as mul_basecase.  In practice loop overheads and the
302 products on the diagonal mean it falls short of this.  Here's an example
303 running the two and showing by what factor an NxN mul_basecase is slower
304 than an NxN sqr_basecase.  (Some versions of sqr_basecase only allow sizes
305 below SQR_TOOM2_THRESHOLD, so if it crashes at that point don't worry.)
306
307         ./speed -s 1-20 -r mpn_sqr_basecase mpn_mul_basecase
308
309 The technique described above with -CD for showing the time difference in
310 cycles per limb between two size operations can be done on an NxN
311 mul_basecase using -E to change the basis for the size increment to N*N.
312 For instance a 20x20 operation is taken to be doing 400 limbs, and a 16x16
313 doing 256 limbs.  The following therefore shows the per crossproduct speed
314 of mul_basecase and sqr_basecase at around 20x20 limbs.
315
316         ./speed -s 16-20 -t 4 -CDE mpn_mul_basecase mpn_sqr_basecase
317
318 Of course sqr_basecase isn't really doing NxN crossproducts, but it can be
319 interesting to compare it to mul_basecase as if it was.  For sqr_basecase
320 the -F option can be used to base the deltas on N*(N+1)/2 operations, which
321 is the triangular products sqr_basecase does.  For example,
322
323         ./speed -s 16-20 -t 4 -CDF mpn_sqr_basecase
324
325 Both -E and -F are preliminary and might change.  A consistent approach to
326 using them when claiming certain per crossproduct or per triangularproduct
327 speeds hasn't really been established, but the increment between speeds in
328 the range karatsuba will call seems sensible, that being k to k/2.  For
329 instance, if the karatsuba threshold was 20 for the multiply and 30 for the
330 square,
331
332         ./speed -s 10-20 -t 10 -CDE mpn_mul_basecase
333         ./speed -s 15-30 -t 15 -CDF mpn_sqr_basecase
334
335
336
337 EXAMPLE COMPARISONS - MALLOC
338
339 The gmp manual recommends application programs avoid excessive initializing
340 and clearing of mpz_t variables (and mpq_t and mpf_t too).  Every new
341 variable will at a minimum go through an init, a realloc for its first
342 store, and finally a clear.  Quite how long that takes depends on the C
343 library.  The following compares an mpz_init/realloc/clear to a 10 limb
344 mpz_add.  Don't be surprised if the mallocing is quite slow.
345
346         ./speed -s 10 -c mpz_init_realloc_clear mpz_add
347
348 On some systems malloc and free are much slower when dynamic linked.  The
349 speed-dynamic program can be used to see this.  For example the following
350 measures malloc/free, first static then dynamic.
351
352         ./speed -s 10 -c malloc_free
353         ./speed-dynamic -s 10 -c malloc_free
354
355 Of course a real world program has big problems if it's doing so many
356 mallocs and frees that it gets slowed down by a dynamic linked malloc.
357
358
359
360
361
362 EXAMPLE COMPARISONS - STRING CONVERSIONS
363
364 mpn_get_str does a binary to string conversion.  The base is specified with
365 a ".<r>" parameter, or decimal by default.  Power of 2 bases are much faster
366 than general bases.  The following compares decimal and hex for instance.
367
368         ./speed -s 1-20 -c mpn_get_str mpn_get_str.16
369
370 Smaller bases need more divisions to split a given size number, and so are
371 slower.  The following compares base 3 and base 9.  On small operands 9 will
372 be nearly twice as fast, though at bigger sizes this reduces since in the
373 current implementation both divide repeatedly by 3^20 (or 3^40 for 64 bit
374 limbs) and those divisions come to dominate.
375
376         ./speed -s 1-20 -cr mpn_get_str.3 mpn_get_str.9
377
378 mpn_set_str does a string to binary conversion.  The base is specified with
379 a ".<r>" parameter, or decimal by default.  Power of 2 bases are faster than
380 general bases on large conversions.
381
382         ./speed -s 1-512 -f 2 -c mpn_set_str.8 mpn_set_str.10
383
384 mpn_set_str also has some special case code for decimal which is a bit
385 faster than the general case, basically by giving the compiler a chance to
386 optimize some multiplications by 10.
387
388         ./speed -s 20-40 -c mpn_set_str.9 mpn_set_str.10 mpn_set_str.11
389
390
391
392
393 EXAMPLE COMPARISONS - GCDs
394
395 mpn_gcd_1 has a threshold for when to reduce using an initial x%y when both
396 x and y are single limbs.  This isn't tuned currently, but a value can be
397 established by a measurement like
398
399         ./speed -s 10-32 mpn_gcd_1.10
400
401 This runs src[0] from 10 to 32 bits, and y fixed at 10 bits.  If the div
402 threshold is high, say 31 so it's effectively disabled then a 32x10 bit gcd
403 is done by nibbling away at the 32-bit operands bit-by-bit.  When the
404 threshold is small, say 1 bit, then an initial x%y is done to reduce it to a
405 10x10 bit operation.
406
407 The threshold in mpn/generic/gcd_1.c or the various assembler
408 implementations can be tweaked up or down until there's no more speedups on
409 interesting combinations of sizes.  Note that this affects only a 1x1 limb
410 operation and so isn't very important.  (An Nx1 limb operation always does
411 an initial modular reduction, using mpn_mod_1 or mpn_modexact_1_odd.)
412
413
414
415
416 SPEED PROGRAM EXTENSIONS
417
418 Potentially lots of things could be made available in the program, but it's
419 been left at only the things that have actually been wanted and are likely
420 to be reasonably useful in the future.
421
422 Extensions should be fairly easy to make though.  speed-ext.c is an example,
423 in a style that should suit one-off tests, or new code fragments under
424 development.
425
426 many.pl is a script for generating a new speed program supplemented with
427 alternate versions of the standard routines.  It can be used for measuring
428 experimental code, or for comparing different implementations that exist
429 within a CPU family.
430
431
432
433
434 THRESHOLD EXAMINING
435
436 The speed program can be used to examine the speeds of different algorithms
437 to check the tune program has done the right thing.  For example to examine
438 the karatsuba multiply threshold,
439
440         ./speed -s 5-40 mpn_mul_basecase mpn_kara_mul_n
441
442 When examining the toom3 threshold, remember it depends on the karatsuba
443 threshold, so the right karatsuba threshold needs to be compiled into the
444 library first.  The tune program uses specially recompiled versions of
445 mpn/mul_n.c etc for this reason, but the speed program simply uses the
446 normal libgmp.la.
447
448 Note further that the various routines may recurse into themselves on sizes
449 far enough above applicable thresholds.  For example, mpn_kara_mul_n will
450 recurse into itself on sizes greater than twice the compiled-in
451 MUL_TOOM22_THRESHOLD.
452
453 When doing the above comparison between mul_basecase and kara_mul_n what's
454 probably of interest is mul_basecase versus a kara_mul_n that does one level
455 of Karatsuba then calls to mul_basecase, but this only happens on sizes less
456 than twice the compiled MUL_TOOM22_THRESHOLD.  A larger value for that
457 setting can be compiled-in to avoid the problem if necessary.  The same
458 applies to toom3 and DC, though in a trickier fashion.
459
460 There are some upper limits on some of the thresholds, arising from arrays
461 dimensioned according to a threshold (mpn_mul_n), or asm code with certain
462 sized displacements (some x86 versions of sqr_basecase).  So putting huge
463 values for the thresholds, even just for testing, may fail.
464
465
466
467
468 FUTURE
469
470 Make a program to check the time base is working properly, for small and
471 large measurements.  Make it able to test each available method, including
472 perhaps the apparent resolution of each.
473
474 Make a general mechanism for specifying operand overlap, and a syntax like
475 maybe "mpn_add_n.dst=src2" to select it.  Some measuring routines do this
476 sort of thing with the "r" parameter currently.
477
478
479
480 ----------------
481 Local variables:
482 mode: text
483 fill-column: 76
484 End: