是否可以基于 Vector<double> 在 .Net 中创建高效的 SIMD 双精度 Vector3

Posted 2023-02-16

【中文标题】是否可以基于 Vector<double> 在 .Net 中创建高效的 SIMD 双精度 Vector3

【英文标题】：Is it possible to create an efficient SIMD double precision Vector3 in .Net based on Vector<double>

【发布时间】：2017-07-10 10:08:25

【问题描述】：

当我问我的机器时

System.Numerics.Vector<double>.Count

答案是4，所以至少在我的机器上，SIMD 寄存器中有足够的位来保存 4 个双精度数字。

我已经尝试创建一个基于 System.Numerics.Vector<double> 的 Vector3 double，但我认为不可能创建一个与 System.Numerics.Vector3 具有相同形状的模型，它的性能比没有 SIMD 支持的基本 C# 代码更好。

例如我的尝试如下。我知道这是糟糕的代码。我只是想探索一下我可以用Vector<double> 做什么。

System.Numerics.Vector<double> 没有采用 N 个参数的构造函数。我明白为什么。这是因为在编译时你不知道Vector<double> 中可以容纳多少双打，所以库作者保护我不要在脚下开枪。

但是，如果我愿意冒险进行一些脚射，我可以改进以下代码吗？

using System.Numerics;

public struct Vector3Double


    public readonly double X;
    public readonly double Y;
    public readonly double Z;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public Vector3Double(double x, double y, double z) : this()
    
        X = x;
        Y = y;
        Z = z;
    

    // Factory for SIMD Vector<double> but it is slow because
    // I need to create an array on the heap to initialize
    static Vector<double> vd(double x, double y, double z) 
        => new Vector<double>(new []x,y,z,0);


    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static double Dot(Vector3Double a, Vector3Double b)
    
        var s = vd( a.X, a.Y, a.Z ) * vd( b.X, b.Y, b.Z );
        return s[0] + s[1] + s[2];
    

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static Vector3Double Add(Vector3Double a, Vector3Double b)
    
        var s = vd( a.X, a.Y, a.Z ) + vd( b.X, b.Y, b.Z );
        return new Vector3Double( s[0], s[1], s[2] );
    

【问题讨论】：

这还能用吗？ + 和 * 似乎都返回了一个只有两个项目的 Vector<double>。所以尝试访问s[2] 会抛出IndexOutOfRangeException。

这取决于你的机器。它是特定于硬件的。在我的机器上Vector<double>.Count 返回 4。在你的机器上它可能只返回 2。

我已经读过这个问题几次，但我仍然不完全清楚你在问什么。为什么不能只使用Vector3？您不能真正用 C# 编写自己的 SIMD 优化代码。您对发布的代码有什么具体问题？你只是想要它reviewed？

Vector3 是单精度。我想要双精度。我想知道我是否可以使用 Vector ，其中 T 是双倍的。我发布的代码只是一个例子。它可以工作，但没有意义，因为它比简单的实现要慢。

无论如何，您都不应该将 linalg 向量放入 SIMD 向量中，否则在实现点积、长度和规范化时会遇到麻烦。 99% 的情况下，您应该做的是将所有 X 放入一个向量中，将所有 Y 放入另一个向量中，依此类推。

【参考方案1】：

如果您认为 Vector3d 的 size=16，则有一种方法可以做到这一点，就像您有第四个坐标一样。然后您可以使用 Unsafe.Read>(&v3d) 将 Vector3d 不安全地转换为 Vector。请注意，这仅在 Vector.Count 为 4 时才有效！ 在 Vector 上执行 simd 操作后，您可以再次使用 Unsafe.Read(&result) 将结果转换回 Vector3d。