在C/C++代码中使用SSE等指令集的指令(1)介绍

男娘i 2022-06-12 11:56 209阅读 0赞

转自 [http://blog.csdn.net/gengshenghong/article/details/7007100\#][http_blog.csdn.net_gengshenghong_article_details_7007100]

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][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][http_technet.microsoft.com_zh-cn_library_tzkfha43.aspx]获取详细的说明。

下面分析这个例子：

1.  \#include <math.h>  
2.  **void** foo()  
3.  \{  
4.      **double** var = cos(10);  
5.  \}

使用VS2010的32bit的command line编译：

cl /c test.c /FA

输出得到其汇编文件：

1.  ; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01   
2.    
3.      TITLE   C:\\tempLab\\test.c  
4.      .686P  
5.      .XMM  
6.      include listing.inc  
7.      .model  flat  
8.    
9.  INCLUDELIB LIBCMT  
10. INCLUDELIB OLDNAMES  
11.   
12. PUBLIC  \_\_real@4024000000000000  
13. PUBLIC  \_foo  
14. EXTRN   \_cos:PROC  
15. EXTRN   \_\_fltused:**DWORD**  
16. ;   COMDAT \_\_real@4024000000000000  
17. ; File c:\\templab\\test.c  
18. CONST   SEGMENT  
19. \_\_real@4024000000000000 DQ 04024000000000000r   ; 10  
20. ; Function compile flags: /Odtp  
21. CONST   ENDS  
22. \_TEXT   SEGMENT  
23. \_var$ = -8                      ; size = 8  
24. \_foo    PROC  
25. ; Line 3  
26.     push    ebp  
27.     mov ebp, esp  
28.     sub esp, 8  
29. ; Line 4  
30.     sub esp, 8  
31.     fld QWORD PTR \_\_real@4024000000000000  
32.     fstp    QWORD PTR \[esp\]  
33.     call    \_cos  
34.     add esp, 8  
35.     fstp    QWORD PTR \_var$\[ebp\]  
36. ; Line 5  
37.     mov esp, ebp  
38.     pop ebp  
39.     ret 0  
40. \_foo    ENDP  
41. \_TEXT   ENDS  
42. 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：

1.  \#include <math.h>  
2.  \#pragma intrinsic(cos)  
3.  **void** foo()  
4.  \{  
5.      **double** var = cos(10);  
6.  \}

同样的命令编译，得到汇编如下：

1.  ; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01   
2.    
3.      TITLE   C:\\tempLab\\test.c  
4.      .686P  
5.      .XMM  
6.      include listing.inc  
7.      .model  flat  
8.    
9.  INCLUDELIB LIBCMT  
10. INCLUDELIB OLDNAMES  
11.   
12. PUBLIC  \_\_real@4024000000000000  
13. PUBLIC  \_foo  
14. EXTRN   \_\_fltused:**DWORD**  
15. EXTRN   \_\_CIcos:PROC  
16. ;   COMDAT \_\_real@4024000000000000  
17. ; File c:\\templab\\test.c  
18. CONST   SEGMENT  
19. \_\_real@4024000000000000 DQ 04024000000000000r   ; 10  
20. ; Function compile flags: /Odtp  
21. CONST   ENDS  
22. \_TEXT   SEGMENT  
23. \_var$ = -8                      ; size = 8  
24. \_foo    PROC  
25. ; Line 4  
26.     push    ebp  
27.     mov ebp, esp  
28.     sub esp, 8  
29. ; Line 5  
30.     fld QWORD PTR \_\_real@4024000000000000  
31.     call    \_\_CIcos  
32.     fstp    QWORD PTR \_var$\[ebp\]  
33. ; Line 6  
34.     mov esp, ebp  
35.     pop ebp  
36.     ret 0  
37. \_foo    ENDP  
38. \_TEXT   ENDS  
39. END

对比之后，它们的主要区别的代码段如下：

1.  sub esp, 8  
2.      fld QWORD PTR \_\_real@4024000000000000  
3.    
4.      fstp    QWORD PTR \[esp\]  
5.      call    \_cos  
6.      add esp, 8

1.  fld QWORD PTR \_\_real@4024000000000000  
2.  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][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][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][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][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][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][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：

1.  \#include <stdio.h>  
2.  \#include <intrin.h>  
3.    
4.  **int** main(**int** argc, **char**\* argv\[\])  
5.  \{  
6.      \_\_m128  a;  
7.      \_\_m128  b;  
8.        
9.      a = \_mm\_set\_ps(1,2,3,4);        // Assign value to a  
10.     b = \_mm\_set\_ps(1,2,3,4);        // Assign value to a  
11.   
12.     \_\_m128 c = \_mm\_add\_ps(a, b);    // c = a + b  
13.   
14.     printf("0: %lf\\n", c.m128\_f32\[0\]);  
15.     printf("1: %lf\\n", c.m128\_f32\[1\]);  
16.     printf("2: %lf\\n", c.m128\_f32\[2\]);  
17.     printf("3: %lf\\n", c.m128\_f32\[3\]);  
18.   
19.     **return** 0;  
20. \}

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：

![0_132212010578Yq.gif][]

（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。

[http_blog.csdn.net_gengshenghong_article_details_7007100]: http://blog.csdn.net/gengshenghong/article/details/7007100#
[http_msdn.microsoft.com_zh-cn_site_26td21ds]: http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/26td21ds
[http_technet.microsoft.com_zh-cn_library_tzkfha43.aspx]: http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/tzkfha43.aspx
[http_msdn.microsoft.com_zh-cn_library_ff770589.aspx]: http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ff770589.aspx
[http_technet.microsoft.com_zh-cn_library_f99tchzc.aspx]: http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/f99tchzc.aspx
[http_en.wikipedia.org_wiki_Intrinsic_function]: http://en.wikipedia.org/wiki/Intrinsic_function
[http_msdn.microsoft.com_zh-cn_library_08x3t697_v_VS.90_.aspx]: http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/08x3t697%28v=VS.90%29.aspx
[0_132212010578Yq.gif]: /images/20220612/6a342523e902492ab3a19da1879d6917.png