GCC 如何在 x86_64 上编译 80 位宽 10 字节浮点 __float80？答案

【问题标题】：How does GCC compile the 80 bit wide 10 byte float __float80 on x86_64?GCC 如何在 x86_64 上编译 80 位宽 10 字节浮点 __float80？
【发布时间】：2018-04-18 22:24:54
【问题描述】：

根据What's A Creel video, "Modern x64 Assembly 4: Data Types" (link to the slide)的视频中的一张幻灯片，

注意：real10 仅与 x87 FPU 一起使用，如今它在很大程度上被忽略了，但提供了惊人的精度！

他说，

“Real10 仅与 x87 浮点单元一起使用。[...] 有趣的是，它为您提供了巨大的精度增益。您会因这种增益而受到性能影响，因为您不能将 real10 与 SSE、打包、SIMD 样式指令一起使用。但是，它有点有趣，因为如果您想要更高的精度，您可以使用 x87 样式的 FPU。现在它几乎从未使用过。”

但是，我在谷歌上搜索并看到GCC supports __float80 and __float128。

GCC 中的__float80 是在 x87 上计算的吗？还是像其他浮点操作一样使用 SIMD？ __float128呢？

【问题讨论】：

标签： gcc floating-point x86 precision x87

【解决方案1】：

GCC docs for Additional Floating Types:

ISO/IEC TS 18661-3:2015 定义了 C 对其他浮点类型 _Floatn 和 _Floatnx 的支持

... GCC 目前在任何系统上都不支持 _Float128x。

我认为_Float128x 是 IEEE binary128，即具有巨大指数范围的真正 128 位浮点数。见http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n1691.pdf。

__float80 显然是 x87 10 字节类型。在 x86-64 SysV ABI 中，与long double 相同；在该 ABI 中两者都有 16 字节对齐。

__float80 在 i386、x86_64 和 IA-64 目标上可用，并支持 80 位 (XFmode) 浮点类型。它是这些目标上类型名称 _Float64x 的别名。

我认为__float128 是使用 SSE2 的扩展精度类型，大概是尾数宽度的两倍但与 64 位 double 相同的指数限制的“双双”格式。（即小于__float80的指数范围）

在 i386、x86_64 和 ... 上，__float128 是 _Float128 的别名

这些可能与 gcc 为您提供的 __float128 相同的 doubledouble。或者也许它是一个纯软件浮点 128 位

Godbolt compiler explorer 用于 gcc7.3 -O3（与 gcc4.6 相同，显然这些类型不是新的）

//long double add_ld(long double x) { return x+x; }  // same as __float80
__float80 add80(__float80 x) { return x+x; }

    fld     TBYTE PTR [rsp+8]    # arg on the stack
    fadd    st, st(0)
    ret                          # and returned in st(0)


__float128 add128(__float128 x) { return x+x; }

          # IDK why not movapd or better movaps, silly compiler
    movdqa  xmm1, xmm0           # x arg in xmm0
    sub     rsp, 8               # align the stack
    call    __addtf3             # args in xmm0, xmm1
    add     rsp, 8
    ret                          # return value in xmm0, I assume


int size80 = sizeof(__float80);    // 16
int sizeld = sizeof(long double);  // 16

int size128 = sizeof(__float128);  // 16

所以 gcc 调用一个 libgcc 函数来进行 __float128 加法，而不是将增量内联到指数或任何类似的聪明东西。

【讨论】：

__float128 是 not double double，至少在 x86_64 上它是 ieee binary128 的软件实现。在 Power 计算机上，long double 传统上是 double-double 类型，但它们正在远离它。
@MarcGlisse：我很难找到_Float128 和_Float128x 的定义。所以_Float128 是ieee binary128，但_Float128x 是什么？如果您有时间，请随时编辑此答案。
_Float128x 应该是与 IEEE binary128 关联的扩展格式。 IE。它至少应具有 binary256 的指数宽度（即 emax ≥ 65535）和 binary128 和 binary256 之间的精度（特别是 p 位≥ 128）。有关这些扩展格式的详细信息，请参阅 IEEE 754-2019 的第 3.7 节（2008 年修订版中的相同部分）。 _Float128x 和 _Float128 之间的对应关系几乎与 gcc 上的 __float80 和 double 相同——除了在 __float80 中显式存储的有效数字的 MSB，它不是 IEEE - 兼容。

【解决方案2】：

我找到了answer here

__float80 可用于 i386、x86_64 和 IA-64 目标，并支持 80 位 (XFmode) 浮点类型。它是这些目标上类型名称 _Float64x 的别名。

查看了XFmode，

“扩展浮点”模式表示 IEEE 扩展浮点数。这种模式只有 80 个有意义的位（十个字节）。一些处理器要求将这些数字填充到 12 个字节，而另一些则需要填充到 16 个字节；此模式用于任何一个。

还是不完全相信，我编译了一些简单的东西

int main () {
    __float80 a = 1.445839898;
    return 1;
}

使用雷达我把它扔了，

0x00000652      db2dc8000000   fld xword [0x00000720]
0x00000658      db7df0         fstp xword [local_10h]

我相信fld 和fstp 是x87 指令集的一部分。所以它确实被用于__float80 10 字节浮点数，但是在__float128 上，我得到了

0x000005fe      660f6f05aa00.  movdqa xmm0, xmmword [0x000006b0]
0x00000606      0f2945f0       movaps xmmword [local_10h], xmm0

所以我们可以在这里看到我们正在使用 SIMD xmmword

【讨论】：

它可能会使用 SIMD 来移动数据，但这并不意味着它会真正使用它来进行实际操作。