在C/C++代码中使用SSE等指令集的指令(1)介绍

转自：在C/C++代码中使用SSE等指令集的指令(1)介绍

我们知道，在C/C++代码中，可以插入汇编代码提高性能。现在的指令集有了很多的高级指令，如果我们希望使用这些高级指令来实现一些高效的算法，就可以在代码中嵌入汇编，使用SSE等高级指令，这是可行的，但是如果对汇编不太熟悉，不愿意使用汇编的人来说，其实也是可以的，这就是Compiler
Intrinsics（http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/26td21ds）。

PS：下面的内容以Windows平台为主，对于Linux下，也有类似的方法。

（1）什么是Intrinsics

Intrinsics是对MMX、SSE等指令集的指令的一种封装，以函数的形式提供，使得程序员更容易编写和使用这些高级指令，在编译的时候，这些函数会被内联为汇编，不会产生函数调用的开销。在理解intrinsics指令之前，先理解intrinsics函数。

（3）#pragma intrinsic和#pragma function

#pragma intrinsic(function[,function][,function]...)：表示后面的函数将进行intrinsic，替换为内部函数，去掉了函数调用的开销，注意：有些地方解释为内联，但是和内联并不完全相同，对于内联，可以指定任意函数为内联，但是此pragma intrinsic只能适用于编译器规定的一部分函数，不是所有函数都能使用，而且，inline关键字一般用于指定自定义的函数，intrinsic则是系统库函数的一部分。参考http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/tzkfha43.aspx获取详细的说明。

下面分析这个例子：

[cpp] view
plain copy

 print?

#include <math.h>  

void foo()  

{  

    double var = cos(10);  

}  

使用VS2010的32bit的command line编译：

cl /c test.c /FA

输出得到其汇编文件：

[cpp] view
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 print?

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01   

  

    TITLE   C:\tempLab\test.c  

    .686P  

    .XMM  

    include listing.inc  

    .model  flat  

  

INCLUDELIB LIBCMT  

INCLUDELIB OLDNAMES  

  

PUBLIC  __real@4024000000000000  

PUBLIC  _foo  

EXTRN   _cos:PROC  

EXTRN   __fltused:DWORD  

;   COMDAT __real@4024000000000000  

; File c:\templab\test.c  

CONST   SEGMENT  

__real@4024000000000000 DQ 04024000000000000r   ; 10  

; Function compile flags: /Odtp  

CONST   ENDS  

_TEXT   SEGMENT  

_var$ = -8                      ; size = 8  

_foo    PROC  

; Line 3  

    push    ebp  

    mov ebp, esp  

    sub esp, 8  

; Line 4  

    sub esp, 8  

    fld QWORD PTR __real@4024000000000000  

    fstp    QWORD PTR [esp]  

    call    _cos  

    add esp, 8  

    fstp    QWORD PTR _var$[ebp]  

; Line 5  

    mov esp, ebp  

    pop ebp  

    ret 0  

_foo    ENDP  

_TEXT   ENDS  

END  

可以看到，这里调用了call _cos函数进行运算，下面代码修改如下：

[cpp] view
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 print?

#include <math.h>  

#pragma intrinsic(cos)  

void foo()  

{  

    double var = cos(10);  

}  

同样的命令编译，得到汇编如下：

[cpp] view
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 print?

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01   

  

    TITLE   C:\tempLab\test.c  

    .686P  

    .XMM  

    include listing.inc  

    .model  flat  

  

INCLUDELIB LIBCMT  

INCLUDELIB OLDNAMES  

  

PUBLIC  __real@4024000000000000  

PUBLIC  _foo  

EXTRN   __fltused:DWORD  

EXTRN   __CIcos:PROC  

;   COMDAT __real@4024000000000000  

; File c:\templab\test.c  

CONST   SEGMENT  

__real@4024000000000000 DQ 04024000000000000r   ; 10  

; Function compile flags: /Odtp  

CONST   ENDS  

_TEXT   SEGMENT  

_var$ = -8                      ; size = 8  

_foo    PROC  

; Line 4  

    push    ebp  

    mov ebp, esp  

    sub esp, 8  

; Line 5  

    fld QWORD PTR __real@4024000000000000  

    call    __CIcos  

    fstp    QWORD PTR _var$[ebp]  

; Line 6  

    mov esp, ebp  

    pop ebp  

    ret 0  

_foo    ENDP  

_TEXT   ENDS  

END  

对比之后，它们的主要区别的代码段如下：

[cpp] view
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 print?

sub esp, 8  

    fld QWORD PTR __real@4024000000000000  

  

    fstp    QWORD PTR [esp]  

    call    _cos  

    add esp, 8  

[cpp] view
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 print?

fld QWORD PTR __real@4024000000000000  

call    __CIcos  

显然，使用了Intrinsics之后的cos函数的指令少了很多，其调用的内部函数是_CIcos(http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ff770589.aspx)，此函数会计算对栈顶的元素直接进行cos运算，所以节省了很多函数调用参数传递等的指令。

仍然参考MSDN（http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/tzkfha43.aspx）可以看到其中一段话：

The floating-point functions listed below do not have true intrinsic forms. Instead they have versions that pass arguments directly to the floating-point chip rather than pushing them onto the program stack.

当然，这是描述其中一部分Intrinsics函数的，Intrinsics也有不同的方式进行优化/内联，具体参考MSDN查询哪些函数可以使用Intrinsics以及是如何工作的（http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/26td21ds）。

#pragma function：使用格式和intrinsics一样，pragma function用于指定函数不进行intrinsics操作，也就是不生成内部函数。

最后，要知道的一个内容是一个相关的编译选项：/Oi

http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/f99tchzc.aspx

/Oi 仅作为对编译器的请求，用于将某些函数调用替换为内部函数；为产生更好的性能，编译器可能会调用函数（而不会将该函数调用替换为内部函数）。

简单的理解，就是告诉编译器尽量使用intrinsics版本的调用，当然，最终的实际调用依赖于编译器的判断。

也可以参考wiki中（http://en.wikipedia.org/wiki/Intrinsic_function）关于intrinsic functions来帮助理解其作用。简单来说，可以理解为编译器的“内置函数”，编译器会根据情况进行一些优化。

（4）指令集相关的intrinsics介绍

上面介绍的是pragma对intrinsic函数的使用，其中介绍了cos，还有很多类似的“内置函数版本”。有时候将上面的这些称之为”intrinsics函数“，除此之外，intrinsics更广泛的使用是指令集的封装，能直接映射到高级指令集，从而使得程序员可以以函数调用的方式来实现汇编能达到的功能，编译器会生成为对应的SSE等指令集汇编。

1. 如何使用这类函数

在windows上，包含#include <**mmintrin.h>头文件即可（不同的指令集扩展的函数可能前缀不一样），也可以直接包含#include <intrin.h>（这里面会根据使用环境判断使用ADM的一些兼容扩展）。

2. 关于数据类型

这些和指令集相关的函数，一般都有自己的数据类型，不能使用一般的数据类型传递进行计算，一般来说，MMX指令是__m64（http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/08x3t697(v=VS.90).aspx）类型的数据，SSE是__m128类型的数据等等。

3. 函数名：

这类函数名一般以__m开头。函数名称和指令名称有一定的关系。

4. 加法实例：

下面使用SSE指令集进行加法运算，一条指令对四个浮点数进行运算：

[cpp] view
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 print?

#include <stdio.h>  

#include <intrin.h>  

  

int main(int argc, char* argv[])  

{  

    __m128  a;  

    __m128  b;  

      

    a = _mm_set_ps(1,2,3,4);        // Assign value to a  

    b = _mm_set_ps(1,2,3,4);        // Assign value to a  

  

    __m128 c = _mm_add_ps(a, b);    // c = a + b  

  

    printf("0: %lf\n", c.m128_f32[0]);  

    printf("1: %lf\n", c.m128_f32[1]);  

    printf("2: %lf\n", c.m128_f32[2]);  

    printf("3: %lf\n", c.m128_f32[3]);  

  

    return 0;  

}  

从代码看，好像很复杂，但是生成的汇编的效率会比较高。一条指令就完成了四个浮点数的加法，其运行结果如下：



（5）总结：

1. Intrinsics函数：能提高性能，会增大生成代码的大小，是编译器的”内置函数“。

2. Intrinsics对指令的封装函数：直接映射到汇编指令，能简化汇编代码的编写，另外，隐藏了寄存器分配和调度等。由于涉及到的数据类型、函数等内容较多，这里只是一个简单的介绍。