使用 SIMD 在 C 中将 AoS 转换为 SoA答案

【问题标题】：Convert AoS to SoA in C using SIMD使用 SIMD 在 C 中将 AoS 转换为 SoA
【发布时间】：2019-09-19 04:28:52
【问题描述】：

所以我有一个结构数组：

typedef struct {
   float x;
   float y;
   float z;
} Point;

const int SIZE = 16;

Point* points;
points = malloc(SIZE * sizeof(Point));

现在我还有一个数组结构：

typedef struct {
    float* vectorX;
    float* vectorY;
    float* vectorZ;
} arrayStruct;

arrayStruct myArrayStruct;

// Allocate Memory
myArrayStruct.vectorX = _aligned_malloc(sizeof(float)* SIZE, 32);
myArrayStruct.vectorY = _aligned_malloc(sizeof(float)* SIZE, 32);
myArrayStruct.vectorZ = _aligned_malloc(sizeof(float)* SIZE, 32);

所以现在我的问题是：有没有一种快速/简单的方法可以使用 SIMD（内在函数）将 AoS（结构数组）转换为数组结构？

【问题讨论】：

“使用 SIMD”是什么意思？ SIMD 在向量寄存器上执行计算，它不能改变你给它的代码结构。
如果速度很重要，那为什么要使用 malloc 来处理固定大小的小型数组？
如果 SIZE 是固定的，并且您可以使 arrayStruct 连续，那么问题会减少到 16x3 转置。
有关 AVX2 解决方案，请参阅：https://stackoverflow.com/questions/44984724/whats-the-fastest-stride-3-gather-instruction-sequence

标签： c arrays struct simd intrinsics

【解决方案1】：

您实际上并没有指定要使用的指令集，所以这里有一个 SSE4 实现。无论您使用的是 SSE/AVX2/AVX512，您基本上都可以使用一系列混合和随机播放操作（以及 AVX+ 的一些额外 128 位排列）。 Blend 和 shuffle 都具有 1 的延迟和 0.33 的吞吐量，因此应该满足“快速”要求。所以从 AOS 格式的 4xVec3 开始：

r0 = [x0 y0 z0 x1]
r1 = [y1 z1 x2 y2]
r2 = [z2 x3 y3 z3]

您应该能够按照以下方式做一些事情：

template<bool c0, bool c1, bool c2, bool c3>
inline f128 blend4f(const f128 tr, const f128 fr) 
  { return _mm_blend_ps(fr, tr, (c3 << 3)  | (c2 << 2) | (c1 << 1) | c0); }

template<uint8_t X, uint8_t Y, uint8_t Z, uint8_t W>
inline f128 shuffle4f(const f128 a, const f128 b) 
  { return _mm_shuffle_ps(a, b, _MM_SHUFFLE(W, Z, Y, X)); }

inline void vec3_aos2_soa(
    const f128 r0, const f128 r1, const f128 r2, 
    f128& x, f128& y, f128& z)
{
  x = blend4f<1, 0, 0, 1>(r0, r1);  // x0 z1 x2 x1
  y = blend4f<1, 0, 0, 1>(r1, r2);  // y1 x3 y3 y2
  z = blend4f<1, 0, 0, 1>(r2, r0);  // z2 y0 z0 z3

  x = blend4f<1, 0, 1, 1>(x, r2);   // x0 x3 x2 x1
  y = blend4f<1, 0, 1, 1>(y, r0);   // y1 y0 y3 y2
  z = blend4f<1, 0, 1, 1>(z, r1);   // z2 z1 z0 z3

  x = shuffle4f<0, 3, 2, 1>(x, x);  // x0 x1 x2 x3
  y = shuffle4f<1, 0, 3, 2>(y, y);  // y0 y1 y2 y3
  z = shuffle4f<2, 1, 0, 3>(z, z);  // z0 z1 z2 z3
}

要返回另一个方向，随机播放，然后混合回到起点。

【讨论】：