为何数组增量函数f1比f2运行慢1.76倍？

问题背景 #

两个功能完全一致的函数f1和f2，均接收数值T与初始全为0的整数数组arr，最终将数组每个元素设置为T。但在默认GCC编译（无优化）下，f1的运行速度比f2慢约1.76倍，运行输出如下：

➜  Desktop gcc timing-difference.c && ./a.out 1000000000 16

-----> Running f1 <-------
Time taken: 15.511 seconds

-----> Running f2 <-------
Time taken: 8.887 seconds

函数核心逻辑差异：

• f1直接对数组元素arr[i]做T次自增
• f2先将arr[i]读到临时变量tmp，对tmp做T次自增后，再写回arr[i]

调换函数调用顺序或多次运行，结果一致；启用-O2优化后，两者耗时均为0.000秒。

性能差异的核心原因 #

1. 内存访问开销的本质区别 #

• f1的内存行为：每次arr[i] += 1都要执行「从内存/缓存读取arr[i] → CPU寄存器自增 → 写回内存/缓存」的完整流程。T=10⁹次循环意味着这个读写操作要重复10⁹次——即便arr[i]能被CPU缓存命中，每次自增的写操作也需要等待缓存的写回周期，累积的开销非常大。
• f2的内存行为：仅在循环前后各做1次内存操作：先把arr[i]读到局部变量tmp（tmp会被编译器分配到CPU寄存器，属于高速区域），然后对tmp的10⁹次自增完全在寄存器内完成，没有任何内存读写开销；最后只需要把tmp的值一次性写回arr[i]。

2. 默认编译（-O0）的特性放大了差异 #

GCC默认的-O0选项会禁用几乎所有优化，严格保证代码执行逻辑与源码一一对应：

• 对于f1，编译器不会将arr[i]临时缓存到寄存器中，必须严格执行每次循环的内存读写操作。
• 对于f2，tmp作为局部变量，编译器会优先分配到CPU寄存器，自增操作全程在寄存器内完成，没有额外内存开销。

3. 优化后差异消失的原因 #

当启用-O2优化时，编译器会识别出「对初始值为0的变量做T次自增，等价于直接赋值为T」，直接将两个函数的逻辑优化为arr[i] = T，因此两者执行效率完全一致，耗时趋近于0。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者smilingbuddha