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Java 17 更新之:支持矢量运算,利好科学计算?

我们这一篇来简单聊聊 ** JEP 414: vector API (Second Incubator)**,之前 Java 16 就已经开始孵化这个项目了。

刚开始看到这个 Vector API,我都懵了, Vector 不是不推荐用吗?后来看到提案的详细内容才明白过来,人家说的是 矢量运算 ,不是我们熟知的那个线程安全的 vector 容器。

在过去, Java 确实没有提供很好的矢量运算的途径,这使得我们只能基于标量计算来构造矢量计算的算法。例如:

 static void scalarComputation(float[] a, float[] b, float[] c) {
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
    }
}
  

这是提案当中给出的例子,a、b、c 是三个相同长度的数组,c 实际上是运算结果。

使用新的 Vector API实现如下:

 static final VectorSpecies<Float> SPECIES = FloatVector.SPECIES_PREFERRED;

static void vectorComputation(float[] a, float[] b, float[] c) {
    int i = 0;
    int upperBound = SPECIES.loopBound(a.length);
    for (; i < upperBound; i += SPECIES.length()) {
        // FloatVector va, vb, vc;
        var va = FloatVector.fromArray(SPECIES, a, i);
        var vb = FloatVector.fromArray(SPECIES, b, i);
        var vc = va.mul(va)
            .add(vb.mul(vb))
            . neg ();
        vc.intoArray(c, i);
    }
    for (; i < a.length; i++) {
        c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
    }
}
  

Vector API 的基本思想就是批量计算,例子当中的 SPECIES 其实是根据机器来选择合适的分批大小的一个变量。我们可以注意到,在计算时 i 每次增加 SPECIES.length(),这就是分批的大小了。当然,你也可以根据实际情况自己选择,例如调用下面的方法来根据矢量的 shape 来确定大小:

 static FloatSpecies species(VectorShape s) {
    Objects.requireNonNull(s);
    switch (s) {
        case S_64_BIT: return (FloatSpecies) SPECIES_64;
        case S_128_BIT: return (FloatSpecies) SPECIES_128;
        case S_256_BIT: return (FloatSpecies) SPECIES_256;
        case S_512_BIT: return (FloatSpecies) SPECIES_512;
        case S_Max_BIT: return (FloatSpecies) SPECIES_MAX;
        default: throw new IllegalArgumentException("Bad shape: " + s);
    }
}
  

对于 FloatVector 类型,这套 API 提供了诸如 add、mul 这样的方法来方便实现矢量计算,用起来比较方便。

理论上来讲,这套 API 也是可以带来性能上的提升的,但我使用相同的数据调用上述矢量和标量的方法,在提前完成类加载的条件下,粗略得出以下耗时:

 scalar: 746000ns
vector: 2210400ns  

可以看到新的 Vector API 居然更慢。不过这个也不能说明什么,毕竟实际的使用场景是复杂的,而且也跟 CPU 架构密切相关,我的机器是 AMD R9 5900HX,也许在 Intel 上有更好的表现呢(噗。。)。

对了,因为 Java 自身语法的限制,现在的 Vector API 大量用到了装箱和拆箱(这可能是性能消耗的大头),因此预期在 Valhalla 合入之后,基于值类型再做优化可能会得到大幅的性能提升。这么看来应当不是我的 AMD CPU 的问题。

不管怎么样,这套东西还在很早期的孵化阶段,API 好用就行,性能的事儿后面会解决的。

文章来源:智云一二三科技

文章标题:Java 17 更新之:支持矢量运算,利好科学计算?

文章地址:https://www.zhihuclub.com/190414.shtml

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