优化“i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)”答案

【问题标题】：Optimising "i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)"优化“i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)”
【发布时间】：2017-03-30 12:26:26
【问题描述】：

我希望能够设置或清除 uintX_t t 的（多个）位。

i 是一个运行时变量 (uintX_t)。 b 是一个运行时变量 (uintX_t)，它被限制为 0 或 1。

mask 是编译时常量。

有没有更好的办法：

i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)

如果可能的话，我希望避免分支。目标是 ARM，如果重要的话。

【问题讨论】：

i = b 或 i == b?
@HongOoi i = (b ? (i | mask) : (i & ~mask))

标签： c bit-manipulation ternary-operator

【解决方案1】：

利用-1u 是设置所有位的值这一事实：

i = (i & ~mask) | (mask & -b);

或

i ^= (i ^ -b) & mask;

第二种方法减少了操作次数和代码大小。第一种方法在超标量架构上可能仍然更快，因为某些操作可以并行执行。

【讨论】：

-b 和 -1u 不是一回事。如果b 是任何有符号的小整数类型，您最终会暂时得到一个负数。与-1u 不同，-1u 始终为正数。在这种特定情况下这不会成为问题，但在 (mask & -b) << n 这样的代码中会是灾难性的。
@Lundin 对，如果b 比int 窄并且平台不使用二进制补码，我的答案中的代码实际上存在问题。在这种情况下，需要额外的演员 -(unsigned)b。

【解决方案2】：

另一种选择：始终将位设置为 0（左侧），并可选择将位设置为 1（右侧）。

i = (i & ~mask) | (mask * b);

【讨论】：

这也遵循 Guilherme 的回答并使用它或分发和
@harold 您的评论是否不小心遗漏了什么？结局似乎很奇怪。
不，我只是没有清楚地格式化它，我的意思是 OR 分布在 AND 上

【解决方案3】：

这里的想法是用乘法替换分支，我们可以根据 b 的值将每一边归零：

i = (i | (mask * b)) & (~mask | (mask * b));

【讨论】：

我用Java测试过，如果你愿意，我可以在java中发布测试代码，表明它确实有效
现在的问题是：在性能损失、分支或乘法方面哪个更糟？
在我的测试中，我使用了 i = 101（二进制），掩码 = 110（二进制）
你可以很容易地发现，添加两个代码并分别运行 100 万次，然后测量时间。
你可以简单地将乘法重写为否定和按位与，以防你的乘法速度很慢（通常值得这样重写）

【解决方案4】：

最易读的方法是分几个步骤执行此操作 - 这样做不会影响性能，但会提高可读性。

与位运算符一样，您必须小心隐式类型提升。例如，不小心使用~ 往往会产生隐式提升错误。（?: 运算符还通过相互平衡第二个和第三个操作数来默默提升结果。）

可读、可移植、安全的代码：

uintx_t i = ... ;
uintx_t b = ... ;  // 1 or 0

i &= (uintx_t)~mask;   // always clear the bit
i |= mask * b;         // if b is 1, set the bit, otherwise OR with 0

【讨论】：

谢谢，我喜欢这种易读的方法。如果i 是 AVR 上的 PORTA，这会导致 GPIO 故障吗？还是在编译过程中将这两个语句合并为一个？我希望将 PORTA 标记为 volatile 以阻止这种情况发生。
@chrisdew 这会导致 GPIO 在几个时钟周期内变低。不允许编译器优化代码，因为PORTA 将是一个易失性寄存器。在某些硬件上，GPIO 端口可能需要几个时钟周期才能稳定。