在C中翻转双/浮点符号的最快方法答案

【问题标题】：Fastest way to flip the sign of a double / float in C在C中翻转双/浮点符号的最快方法
【发布时间】：2011-07-09 23:00:32
【问题描述】：

在 C 中翻转双精度（或浮点）符号的最快方法是什么？

我认为直接访问符号位是最快的方法，发现如下：

double a = 5.0;
*(__int64*)&a |= 0x8000000000000000;
// a = -5.0

float b = 3.0;
*(int*)&b |= 0x80000000;
// b = -3.0

但是，以上不适用于负数：

double a = -5.0;
*(__int64*)&a |= 0x8000000000000000;
// a = -5.0

【问题讨论】：

该代码完全不可移植。您不仅调用了各种平台相关的 float 实现，还使您的代码依赖于字节序。
它也可能会破坏寄存器存储浮点数的性能 - 它需要移动到整数寄存器，执行操作，然后移回 FP (x87/SSE)注册。
我很想知道什么计算有浮点否定作为它的性能瓶颈
@Yann Ramin：GCC 将“-a”优化为“XORPS %XMM1, %XMM0”（GNU 语法），XMM1 在 x86_64 上持有否定位掩码，在 x86_32 上使用 FCHS。
你的代码也严重违反了别名规则，这意味着它在现代编译器上不会做你想做的事情。

标签： c floating-point double bit-manipulation sign

【解决方案1】：

如果你想要可移植的方式，只需乘以-1 并让编译器对其进行优化。

【讨论】：

a*=-1 和 a=-a 有区别吗？我怀疑第一个变体实际执行乘法而不是仅仅翻转符号位因此变慢。
@hennes a) 是否存在差异取决于编译器的实现。 b) 为什么你会怀疑优化器不起作用？
@Jim 是的，看来你是对的。对不起，我只是好奇。我想我应该加强对现代编译器的信任。
差别很大。乘法被认为是一种算术运算，并且必须遵循一组特定的规则，例如设置浮点异常标志。否定不是，因此可以通过切换符号位来实现。（但是对于整数，它们可以被认为是相同的。）
@Lindydancer：我也是这么想的。但是，我在 GCC 和 Intel 的编译器上检查了它，并没有发现 a=-a、a*=-1 和 a*=-1.0 之间的性能差异。所以我猜它们都被编译器以同样的方式优化了。

【解决方案2】：

如果您只是在前面加上一个否定运算符，即-a，任何体面的编译器都会实现这种位操作。无论如何，你是在 OR-ing 位。你应该 XOR 它。这就是我测试过的编译器所做的（GCC、MSVC、CLang）。所以请帮自己一个忙，写信-a

编辑：请注意，C 不强制执行任何特定的浮点格式，因此对非整数 C 变量的任何位操作最终都会导致错误行为。

EDIT 2 due to a comment：这是 GCC 为 x86_64 发出的否定代码

.globl neg
    .type   neg, @function
neg:
.LFB4:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_offset 6, -16
    .cfi_def_cfa_register 6
    movss   %xmm0, -4(%rbp)
    movss   -4(%rbp), %xmm1
    movss   .LC0(%rip), %xmm0
    xorps   %xmm1, %xmm0  /* <----- Sign flip using XOR */
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE4:
    .size   neg, .-neg

需要注意的是xorps是为浮点数设计的异或，照顾特殊情况。这是一条 SSE 指令。

【讨论】：

Any decent compiler will implement this bit manipulation 这是错误的。编译器需要考虑NaN 值。 -NaN 仍然是 NaN，但 NaN xor 符号位不再是 NaN。编译器不能也不会进行这种优化。
你看过实际的二进制输出了吗？我为提到的编译器做了它，他们做到了。
感谢发布反汇编。 VC 不对符号位进行异或运算，它使用fchs。我对 gcc 这样做感到有些震惊……这是与 -O2 一起使用的吗？不传播的 NaN 可能会导致严重的错误。
-log(-1.0f) 的输出是什么？ nan 或 2.14748e+09?
@inverse：你在说什么？在 IEEE 中，NaN 被编码，指数部分设置为全 1，任何非零尾数（尾数零表示无穷大）。符号位无关紧要。安静或信令是（在实践中）尾数中的最高幅度位。同样，不是符号位。

【解决方案3】：

a=-a

【讨论】：

这将是最有效的方法。浮点数的位操作不可移植，永远不要使用位运算符接触浮点数。把它留给编译器。

【解决方案4】：

此代码未定义，因为它违反了严格的别名规则。 What is the strict aliasing rule? 要做到这一点，您将不得不依赖编译器为您优化它。

【讨论】：