如何使用 SSE(1,2,3,4) 优化？

Question

我想知道简单地用 sse/sse2 编译我的 msvc 项目是否会有任何效果。例如，我做向量归一化和点积，但我用数学来做这些，而不是任何特定的函数。我应该使用 sse_dot() 和 sse_normalize() 来实际利用，还是编译器会知道？

谢谢

Answer 1

据我了解，使用 sse2 编译器选项将导致编译器使用标量而非向量 sse2 指令代替普通 fpu 代码。我不认为它会做任何矢量化。 sse2 标量的东西肯定比 fpu 快。

要使用向量单元，您需要直接使用内在函数 ( xmmintrin.h ) 或使用第三方库。如果您只是在做简单的矢量/矩阵渲染，Bullet SDK 有一个 sse 优化的矢量数学库，这还不错。 IIRC DirectX/XNAmath 库也经过 sse 优化。

如果这些都不符合您的要求，Google 应该会提供许多替代方案。

Answer 2

或者您可以通过使用 Eigen、BLAS、Intel MKL 等高性能库来避免显式编写 SSE 内容……除非您正在研究嵌入式系统，否则这些库将比您想出的任何东西都要好得多与。

Answer 3

要么自己编写 SSE 代码（asm 或内在函数），要么使用第三方 SSE 优化库（例如 IPP、MKL 等），或者使用自动矢量化编译器，例如英特尔的 ICC。

Answer 4

并不是所有的编译器都像你想象的那么聪明。甚至 gcc 也可能并不总是优化最明显的代码。请参阅以下示例并自行尝试。 icc 似乎能够优化内部循环，但是 gcc，我尝试了几个设置，不能。必要时，您必须使用 SSE 函数手动调用 SSE/SSE2 指令。人们告诉我this 是一个很好的教程。

编辑：以下示例适用于 Mac/Linux gcc。但它在linux上失败了icc。我不知道为什么。顺便说一句，在矢量化方面，icc 被认为比 gcc 更好。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <emmintrin.h>

float **mm_init(int n)
{
    float **m;
    int i;
    m = (float**)malloc(n * sizeof(void*));
    for (i = 0; i < n; ++i)
        m[i] = calloc(n, sizeof(float));
    return m;
}
void mm_destroy(int n, float **m)
{
    int i;
    for (i = 0; i < n; ++i) free(m[i]);
    free(m);
}
float **mm_gen(int n)
{
    float **m;
    int i, j;
    m = mm_init(n);
    for (i = 0; i < n; ++i)
        for (j = 0; j < n; ++j)
            m[i][j] = 2 * drand48() - 1.0;
    return m;
}
// better cache performance by transposing the second matrix
float **mm_mul2(int n, float *const *a, float *const *b)
{
    int i, j, k;
    float **m, **c;
    m = mm_init(n); c = mm_init(n);
    for (i = 0; i < n; ++i) // transpose
        for (j = 0; j < n; ++j)
            c[i][j] = b[j][i];
    for (i = 0; i < n; ++i) {
        float *p = a[i], *q = m[i];
        for (j = 0; j < n; ++j) {
            float t = 0.0, *r = c[j];
            for (k = 0; k < n; ++k)
                t += p[k] * r[k];
            q[j] = t;
        }
    }
    mm_destroy(n, c);
    return m;
}
// explicit SSE optimization for the inner loop
float **mm_mul3(int n, float *const *a, float *const *b)
{
    int i, j, k;
    float **m, **c, x[4];
    m = mm_init(n); c = mm_init(n);
    for (i = 0; i < n; ++i) // transpose
        for (j = 0; j < n; ++j)
            c[i][j] = b[j][i];
    for (i = 0; i < n; ++i) {
        float *p = a[i], *q = m[i];
        for (j = 0; j < n; ++j) {
            __m128 t = _mm_setzero_ps();
            float *r = c[j];
            for (k = 0; k < n; k += 4) // four operations in one CPU cycle
                t = _mm_add_ps(t, _mm_mul_ps(_mm_load_ps(p+k), _mm_load_ps(r+k)));
            _mm_store_ps(x, t);
            q[j] = x[0] + x[1] + x[2] + x[3];
        }
    }
    mm_destroy(n, c);
    return m;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int n = 100;
    float **a, **b, **m;
    clock_t t;
    if (argc > 1) n = atoi(argv[1]);
    n = (n + 3) / 4 * 4; // for simplicity, n can be divided by 4
    srand48(11);
    a = mm_gen(n); b = mm_gen(n);

    t = clock();
    m = mm_mul2(n, a, b);
    fprintf(stderr, "cache:  %lf sec; M[%d][%d]=%f\n", (double)(clock() - t) / CLOCKS_PER_SEC, n/2, n/2, m[n/2][n/2]);

    t = clock();
    m = mm_mul3(n, a, b);
    fprintf(stderr, "SSE:    %lf sec; M[%d][%d]=%f\n", (double)(clock() - t) / CLOCKS_PER_SEC, n/2, n/2, m[n/2][n/2]);

    mm_destroy(n, a); mm_destroy(n, b); mm_destroy(n, m);
    return 0;
}

Answer 5

如果您启用 SSE2，那么编译器将在您背后使用它。你永远不会注意到也不需要知道，除非你打算支持没有 SSE2 的 CPU。这与任何其他底层 CPU 指令相同。