矩阵相乘_重排序优化算法的C++实现

都知道计算机执行矩阵相乘运算很麻烦,使用传统数学算法的时间复杂度是O(n^3)。

这里不讨论数学上的优化算法。在计算机计算时有个cache-miss问题,这里讨论一下。

C++里的矩阵,其实是二维数组。在存储的时候是按行存的,cache在读取的时候,也是按行取的(下面的代码可以证明)。如果按照正常算法执行矩阵相乘,依次计算新矩阵每个位置的结果,用第一个矩阵的行去乘第二个矩阵的列,然后累加求和,那第二个矩阵每次运算都跨行了,这涉及到3层循环,第1层表示行,第2层表示列,第3层表示累加。那第3层循环里,每次都会有cache-miss。

如果能设计一个算法,让第3层循环的不要跨行,而是一直在执行某一行的计算,该行的所有元素都取完了再去执行下一行,那就可以避免cache-miss了。

这里给出3组方法,第1种是原始的方法。第2和第3种方法调整了循环顺序。

第二个方法是重排序V1版本,第三种方法是重排序的V2版本。

2个版本的区别是:最内层循环的读取矩阵的顺序,V1是逐行读取,V2是逐列读取。

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <chrono>

using namespace std;

void matrixMultiplyReorderedV2(const vector<vector<int>>& A, const vector<vector<int>>& B, vector<vector<int>>& C) {
    int m = A.size();
    int n = B.size();
    int p = B[0].size();
    
    for (int k = 0; k < n; k++) {
        for (int j = 0; j < p; j++) {
            for (int i = 0; i < m; i++) {
                C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
            }
        }
    }
}

void matrixMultiplyReorderedV1(const vector<vector<int>>& A, const vector<vector<int>>& B, vector<vector<int>>& C) {
    int m = A.size();
    int n = B.size();
    int p = B[0].size();
    
    for (int k = 0; k < n; k++) {
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < p; j++) {
                C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
            }
        }
    }
}

void clearVecC(std::vector< vector<int> >& C)
{
    for (int i = 0; i < C.size(); i++) {
        for (int j = 0; j < C[0].size(); j++) {
            C[i][j] = 0;
        }
    }
}

void matrixMultiplyOriginal(const vector<vector<int>>& A, const vector<vector<int>>& B, vector<vector<int>>& C) {
    int m = A.size();
    int n = B.size();
    int p = B[0].size();
    
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < p; j++) {
            for (int k = 0; k < n; k++) {
                C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
            }
        }
    }
}

int main() {
    int sz = 1000;
    int m = sz, n = sz, p = sz; // 矩阵大小
    vector<vector<int>> A(m, vector<int>(n, 1));
    vector<vector<int>> B(n, vector<int>(p, 1));
    vector<vector<int>> C(m, vector<int>(p, 0));

    auto start = chrono::high_resolution_clock::now();
    matrixMultiplyOriginal(A, B, C);
    auto end = chrono::high_resolution_clock::now();

    chrono::duration<double> duration = end - start;
    cout << "Original version time: " << duration.count() << " seconds" << endl;

    clearVecC(C);
    start = chrono::high_resolution_clock::now();
    matrixMultiplyReorderedV1(A, B, C);
    end = chrono::high_resolution_clock::now();

    duration = end - start;
    cout << "matrixMultiplyReorderedV1 version time: " << duration.count() << " seconds" << endl;

    clearVecC(C);
    start = chrono::high_resolution_clock::now();
    matrixMultiplyReorderedV2(A, B, C);
    end = chrono::high_resolution_clock::now();


    duration = end - start;
    cout << "matrixMultiplyReorderedV1 version time: " << duration.count() << " seconds" << endl;

    return 0;
}

运行结果是:

bash 复制代码
Original version time: 22.9585 seconds
matrixMultiplyReorderedV1 version time: 12.499 seconds
matrixMultiplyReorderedV1 version time: 25.3616 seconds

可以看到,V1版本明显缩短了运算时间,减少了cache-miss。V2版本没效果,反而比原始版本的还差一点。这可以说明:cache是按行读取内存的矩阵的,而不是列。

另外,使用多线程可以缩短计算时间,我在另一篇文章(多线程实现矩阵相乘_C++)里有详细说明。

相关推荐
Tyler_TXZ8 小时前
C++C语言之——二叉树
c语言·开发语言·数据结构·c++·二叉树
Tisfy8 小时前
LeetCode 3090.每个字符最多出现两次的最长子字符串:二重循环 / 滑动窗口
算法·leetcode·字符串·题解·模拟·双指针·滑动窗口
-dzk-8 小时前
【技巧】LC 136.只出现一次的数字
算法·异或
不会代码的小猴8 小时前
C++新增关键字
开发语言·c++·笔记
专注仿真9 小时前
问答大模型技术方案算法实现-RAPTOR树构建算法与BEG集成使用
python·算法
liulilittle9 小时前
并发与内存安全术语:定义、分类与关联
c++·安全·并发·术语
_wyt0019 小时前
从图到树:9道洛谷基础题带你入门树形结构
c++·
zlinear数据采集卡9 小时前
数据采集卡从入门到精通(10):采样率与分辨率的核心关系——反比律、架构分布与过采样
arm开发·嵌入式硬件·算法·fpga开发·架构·开源
Titan202410 小时前
Linux网络基础知识
linux·服务器·网络·c++·学习
铅笔侠_小龙虾11 小时前
深度学习阶段总结(2)--矩阵
深度学习·矩阵