SSE2 双倍乘法比标准乘法慢

Posted 2023-02-16

【中文标题】SSE2 双倍乘法比标准乘法慢

【英文标题】：SSE2 double multiplication slower than with standard multiplication

【发布时间】：2011-07-03 19:25:42

【问题描述】：

我想知道为什么以下带有 SSE2 指令的代码执行乘法比标准 C++ 实现慢。 代码如下：

        m_win = (double*)_aligned_malloc(size*sizeof(double), 16);
        __m128d* pData = (__m128d*)input().data;
        __m128d* pWin = (__m128d*)m_win;
        __m128d* pOut = (__m128d*)m_output.data;
        __m128d tmp;
        int i=0;
        for(; i<m_size/2;i++)
            pOut[i] = _mm_mul_pd(pData[i], pWin[i]);

m_output.data 和 input().data 的内存已使用 _aligned_malloc 分配。

但是对于 2^25 数组，执行此代码的时间与此代码的时间相同（350 毫秒）：

for(int i=0;i<m_size;i++)
    m_output.data[i] = input().data[i] * m_win[i];

这怎么可能？理论上应该只需要 50% 的时间，对吧？还是从 SIMD 寄存器到 m_output.data 数组的内存传输开销如此之大？

如果我从第一个 sn-p 替换该行

pOut[i] = _mm_mul_pd(pData[i], pWin[i]);

由

tmp = _mm_mul_pd(pData[i], pWin[i]);

__m128d tmp; 然后代码执行得非常快，比我的计时器功能的分辨率还小。 是不是因为所有内容都只存储在寄存器中而不是内存中？

更令人惊讶的是，如果我在调试模式下编译，SSE 代码只需要 93ms，而标准乘法需要 309ms。

调试：93ms (SSE2) / 309ms（标准乘法） RELEASE：350ms (SSE2) / 350（标准乘法）

这是怎么回事？？？

我在发布模式下使用带有 QtCreator 2.2.1 的 MSVC2008。 这是我的 RELEASE 编译器开关：

cl -c -nologo -Zm200 -Zc:wchar_t- -O2 -MD -GR -EHsc -W3 -w34100 -w34189

这些是用于调试的：

cl -c -nologo -Zm200 -Zc:wchar_t- -Zi -MDd -GR -EHsc -W3 -w34100 -w34189

编辑 关于 RELEASE 与 DEBUG 问题： 我只是想指出，我分析了代码，而 SSE 代码在发布模式下实际上速度较慢！ 这只是以某种方式证实了 VS2008 无法正确处理优化器的内在函数的假设。 英特尔 VTune 在 DEBUG 中为 SSE 循环提供了 289 毫秒，在 RELEASE 模式下为我提供了 504 毫秒。 哇……哇哇……

【问题讨论】：

您在调试模式下得到正确的结果吗？随着存储到tmp，编译器注意到结果没有被使用，甚至根本没有循环。此外，三个阵列中的每一个都是 256 MB，因此 RAM 带宽应该是决定因素。另请注意，Visual C++ 能够将普通算术表达式转换为 SSE 指令，尽管您似乎没有激活该选项。

您没有发布您测试的确切代码和数据，也没有指定您使用的核心，因此无法获得可比较的结果。在 Debug 构建中，for(;;) 循环的时间增加了一倍，这是意料之中的。在 Release 版本中，我看到 for(;;) 循环快了近三倍。看一下生成的机器代码就很清楚为什么：循环展开了，每次通过 8 次乘法。优化器无法对内在函数进行相同的优化。永远不要低估优化器的力量。

/arch:SSE2 是打开它的开关吗？但似乎 RAM 带宽确实可能是瓶颈，这意味着我无法使用 SSE 使其更快。

@Hans Passant：嗯，有趣的提示。我期待优化器也能处理 SSE。

一定要对内存带宽限制的言论加一点盐，你的测试证明它不是。如果是这样，展开循环永远不会有好处。这些天很难获得指令时序，但我确实在英特尔手册中看到 mulpd 具有 9 个周期的延迟和 9 个周期的 Atom 内核吞吐量。这有点多。

【参考方案1】：

首先，VS 2008 对于 intrisincs 来说是一个糟糕的选择，因为它往往会添加比必要更多的寄存器移动，并且通常不能很好地优化（例如，当 SSE 指令执行时，它在循环归纳变量分析方面存在问题存在。）

所以，我的猜测是编译器生成 mulss 指令，CPU 可以轻松地重新排序和并行执行（迭代之间没有依赖关系），而 intrisincs 会导致大量寄存器移动/复杂的 SSE 代码——它甚至可能破坏现代 CPU 上的跟踪缓存。 VS2008 因在寄存器中进行所有计算而臭名昭著，我猜会有一些 CPU 无法跳过的危险（如 xor reg、move mem->reg、xor、mov mem->reg、mul、mov mem->reg是一个依赖链，而标量代码可能是 move mem->reg, mul with mem operand, mov。）您绝对应该查看生成的程序集或尝试 VS 2010，它对 intrinsincs much 有更好的支持.

最后，也是最重要的一点：您的代码完全不受计算限制，再多的 SSE 也不会显着加快速度。在每次迭代中，您读取四个双精度值并写入两个，这意味着 FLOP 不是您的问题。在这种情况下，您将受到缓存/内存子系统的支配，这可能解释了您看到的差异。调试乘法不应该比发布快；如果你发现它比你应该做更多的运行速度更快，并检查发生了什么（如果你的 CPU 支持涡轮模式，请小心，这会增加 20% 的变化。）清空缓存的上下文切换可能就足够了这种情况。

因此，总的来说，您所做的测试几乎毫无意义，只是表明对于内存受限的情况，是否使用 SSE 没有区别。如果实际上存在计算密集且并行的代码，则应该使用 SSE，即使这样，我也会花费大量时间使用分析器来确定要优化的确切位置。简单的点积不适合看到 SSE 的任何性能改进。

【讨论】：

双注：(1) 这不是点积，它会使用乘加（累加）指令，并且写入带宽要低得多。 (2) 即使代码不受计算限制，使用更高效的指令应该留出更多时间来运行其他受计算限制的线程，或者如果没有其他线程在运行，则使用更少的功率。

你在这里得到了一些好处，所以+1。但是，由于 VC2010 不是一个选项，我看到计算（只有 1 次乘法）并不是真正的 CPU 密集型，但每条指令的 2 次乘法不应该抵消 SSE 代码生成的开销吗？或者用多个htreads简单地计算它会更好吗？数组很大，函数调用会很频繁。

好吧，我真的认为是内存带宽。然而，没有什么能解释为什么我的调试运行得比发布快。但是感谢您帖子中的其他有见地的 cmets 以及所有其他人！

【参考方案2】：

几点：

正如已经指出的那样，MSVC 为 SSE 生成了非常糟糕的代码 您的代码几乎可以肯定是内存带宽有限，因为您在加载和存储之间只执行一项操作 大多数现代 x86 CPU 有两个浮点 ALU，因此即使您不受带宽限制，使用 SSE 进行双精度浮点数学运算也可能没什么收获