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Use `memchr` in SRE's prefix scanner

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主要言語
Python
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説明

Feature or enhancement

Proposal:

Python's regex prefix scanning loops advance one byte at a time to find the first character of a literal prefix. For SIZEOF_SRE_CHAR == 1, memchr is a drop-in replacement that uses SIMD. The idea is to skip say 32 bytes per iteration in the negative case (no match).

The two loops are at

https://github.com/python/cpython/blob/7ce737ea11919aebf7eef174f910759e74d0ea50/Modules/_sre/sre_lib.h#L1756-L1759

https://github.com/python/cpython/blob/7ce737ea11919aebf7eef174f910759e74d0ea50/Modules/_sre/sre_lib.h#L1789-L1792

Similar issues/prs are gh-145797 (memchr in str.split) and building on gh-57343, gh-57345.

Proposed patch:

--- a/Modules/_sre/sre_lib.h
+++ b/Modules/_sre/sre_lib.h
@@ -1753,10 +1753,19 @@
         end = (SRE_CHAR *)state->end;
         state->must_advance = 0;
         while (ptr < end) {
+#if SIZEOF_SRE_CHAR == 1
+            {
+                SRE_CHAR *found = memchr(ptr, c, end - ptr);
+                if (!found)
+                    return 0;
+                ptr = found;
+            }
+#else
             while (*ptr != c) {
                 if (++ptr >= end)
                     return 0;
             }
+#endif
             TRACE(("|%p|%p|SEARCH LITERAL\n", pattern, ptr));
             state->start = ptr;
@@ -1786,10 +1795,19 @@
         while (ptr < end) {
             SRE_CHAR c = (SRE_CHAR) prefix[0];
+#if SIZEOF_SRE_CHAR == 1
+            {
+                SRE_CHAR *found = memchr(ptr, c, end - ptr);
+                if (!found)
+                    return 0;
+                ptr = found + 1;
+            }
+#else
             while (*ptr++ != c) {
                 if (ptr >= end)
                     return 0;
             }
+#endif
             if (ptr >= end)
                 return 0;

I ran into this while profiling a log parser (pretty much grepping for error and warning strings) that applies a handful of literal-prefix regexes to each line of a ~5MB log file. With the patch, the runtime is reduced by ~14% end-to-end. A similar use case in the same application is scanning a binary executable/library for strings with a pattern /common/prefix/(foo|bar|baz) where I would benefit even more from memchr to find the / anchors.

Microbenchmark on my M4 macbook (without PGO):

Single-char prefix re.compile(r"X(A|B)"), match at position N against aaa...aXA

match position baseline patched speedup
0 55 ns 58 ns ~flat
50 70 ns 53 ns 1.3x
100 83 ns 55 ns 1.5x
500 217 ns 62 ns 3.5x
1,000 326 ns 70 ns 4.7x
10,000 2,379 ns 219 ns 10.9x
100,000 23,348 ns 1,576 ns 14.8x

Multi-char prefix re.compile(r"XXXX(A|B)"), match at position N against aaaa...aXXXXA

match position baseline patched speedup
0 57 ns 56 ns ~flat
100 71 ns 58 ns 1.2x
500 142 ns 65 ns 2.2x
1,000 221 ns 72 ns 3.1x
10,000 1,652 ns 225 ns 7.3x
100,000 15,952 ns 1,621 ns 9.8x

The reason the second benchmark is not as good as the first is that the apple clang compiler seems to have unrolled the second loop 4x while the first loop is not unrolled at all. Neither of them were auto-vectorized.

Synthetic benchmark
"""Synthetic benchmark for SRE prefix scanning at various string lengths."""

import re
import time

def bench(pat, text, iterations):
    for _ in range(1000):
        pat.search(text)
    t0 = time.perf_counter()
    for _ in range(iterations):
        pat.search(text)
    dt = time.perf_counter() - t0
    ns_per_call = dt / iterations * 1e9
    print(f"  {ns_per_call:8.1f} ns/call")

# Single-char prefix: X(A|B) has prefix "X" (len=1)
pat1 = re.compile(r"X(A|B)")
print("Single-char prefix: X(A|B), match at position N")
for n in [0, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 10000, 100000]:
    text = "a" * n + "XA"
    print(f"  match at pos {n:>6d} (len={len(text):>6d})", end="")
    bench(pat1, text, max(100000, 1000000 // max(n, 1)))

# Multi-char prefix: XXXX(A|B) has prefix "XXXX" (len=4)
pat4 = re.compile(r"XXXX(A|B)")
print()
print("Multi-char prefix: XXXX(A|B), match at position N")
for n in [0, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 10000, 100000]:
    text = "a" * n + "XXXXA"
    print(f"  match at pos {n:>6d} (len={len(text):>6d})", end="")
    bench(pat4, text, max(100000, 1000000 // max(n, 1)))
Has this already been discussed elsewhere?

This is a minor feature, which does not need previous discussion elsewhere

Links to previous discussion of this feature:

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Linked PRs
  • gh-148733

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はじめの一歩

  1. issue を最後まで読み、次にプロジェクトのコントリビューションガイドを読みます。
  2. 着手することを issue にコメントします — 二人が同じ作業をするのを防げます。
  3. リポジトリをフォークし、ブランチを切って変更します。
  4. issue 番号を参照したプルリクエストを送ります。

調査の方向性

Modules/_sre/sre_lib.h の、issue でリンクされている 2 つのプレフィックススキャンループから始め、memchr を使用する提案された SIZEOF_SRE_CHAR == 1 分岐を確認します。提供されている正規表現マイクロベンチマークを実行し、既存のループと動作および性能を比較します。完了条件は、他の文字幅のパスを変更せずに、スキャナーが 1 バイト文字に対して memchr を使用することです。

索引モデルが issue の本文から書いたものです。

評価

技術スタック
c, python
領域
performance
issue の種類
機能追加
難易度
3/5
見積もり時間
1〜2日
活発さ
停滞
明瞭さ
明確に書かれている
初心者へのやさしさ
35/100

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