带有 SSE 的条件语句

Posted 2023-02-16

【中文标题】带有 SSE 的条件语句

【英文标题】：Conditional statements with SSE

【发布时间】：2017-06-23 01:01:12

【问题描述】：

我正在尝试为我的游戏进行一些计算，并且我正在尝试计算两点之间的距离。本质上，我使用圆方程来查看这些点是否在我定义的半径范围内。

(x - x1)^2 + (y - y1)^2 <= r^2

我的问题是：如何使用 SSE 评估条件语句并解释结果？到目前为止，我有这个：

float distSqr4 = (pow(x4 - k->getPosition().x, 2) + pow(y4 - k->getPosition().y, 2));
float distSqr3 = (pow(x3 - k->getPosition().x, 2) + pow(y3 - k->getPosition().y, 2));
float distSqr2 = (pow(x2 - k->getPosition().x, 2) + pow(y2 - k->getPosition().y, 2));
float distSqr1 = (pow(x1 - k->getPosition().x, 2) + pow(y1 - k->getPosition().y, 2));

__m128 distances  = _mm_set_ps(distSqr1, distSqr2, distSqr3, distSqr4);
__m128 maxDistSqr = _mm_set1_ps(k->getMaxDistance() * k->getMaxDistance());
__m128 result     = _mm_cmple_ps(distances, maxDistSqr);

一旦我得到结果变量，我就迷路了。如何使用刚刚得到的结果变量？我的计划是，如果评估的条件结果为真，则进行一些光照计算，然后在屏幕上绘制像素。在这种情况下，我如何解释真与假？

非常感谢您对正确方向的任何帮助！

【问题讨论】：

我不确定我是否完全理解您的问题；例如，您可以使用 _mm_and_ps(distances, result) 将超出范围的值归零。

顺便说一句，也许这只是为了简洁，但你为什么不在 SSE 中做(x - x1)^2 + (y - y1)^2？

【参考方案1】：

我的计划是，如果评估的条件为真，则进行一些光照计算，然后在屏幕上绘制像素。

那你真的别无选择，只能分支。

使用 SSE 进行条件测试的最大优势在于它允许您编写 无分支 代码，这可以大大提高速度。但在您的情况下，您几乎必须进行分支，因为如果我对您的理解正确，如果条件评估为 false，您永远不会希望在屏幕上输出任何内容。

我的意思是，我猜你可以无条件地（推测地）进行所有计算，然后只使用条件的结果来旋转像素值中的位，基本上导致你离开屏幕。这会给你无分支的代码，但这很愚蠢。分支错误预测会受到惩罚，但不会像所有计算和绘图代码那样昂贵。

换句话说，一旦您获得最终结果，您使用 SIMD 来利用的并行性就会耗尽。这只是一个简单的标量比较和分支。首先，您测试条件评估是否为真。如果没有，您将跳过进行照明计算和像素绘制的代码。否则，您将无法执行该代码。

棘手的部分是编译器不允许您在常规的旧if 语句中使用__m128 变量，因此您需要将result“转换”为可以用作基础的整数为有条件的。最简单的方法是使用 _mm_movemask_epi8 内在函数。

所以你基本上会这样做：

__m128 distances  = _mm_set_ps(distSqr1, distSqr2, distSqr3, distSqr4);
__m128 maxDistSqr = _mm_set1_ps(k->getMaxDistance() * k->getMaxDistance());
__m128 result     = _mm_cmple_ps(distances, maxDistSqr);

if (_mm_movemask_epi8(result) == (unsigned)-1)

    // All distances were less-than-or-equal-to the maximum, so
    // go ahead and calculate the lighting and draw the pixels.
    CalcLightingAndDraw(…);

这是有效的，因为_mm_cmple_ps 如果比较为真，则将每个压缩双字设置为全 1，如果比较为假，则全为 0。 _mm_movemask_epi8 然后将其折叠成一个整数大小的掩码并将其移动到一个整数值。然后，您可以在正常的条件语句中使用该整数值。

注意：使用 Clang 和 ICC，您可以将 __m128 值传递给 _mm_movemask_epi8 内在函数。在 GCC 上，它坚持使用 __m128i 值。你可以通过演员来处理这个问题：_mm_movemask_epi8((__m128i)result)。

当然，我在这里假设您仅在 所有 距离小于或等于最大距离时才进行绘图。如果你想独立地处理这四个距离中的每一个，那么你需要在掩码上添加更多的条件测试：

__m128   distances  = _mm_set_ps(distSqr1, distSqr2, distSqr3, distSqr4);
__m128   maxDistSqr = _mm_set1_ps(k->getMaxDistance() * k->getMaxDistance());
__m128   result     = _mm_cmple_ps(distances, maxDistSqr);
unsigned condition  = _mm_movemask_epi8(result);

if (condition != 0)

    // One or more of the distances were less-than-or-equal-to the maximum,
    // so we have something to draw.

    if ((condition & 0x000F) != 0)
    
        // distSqr1 was less-than-or-equal-to the maximum
        CalcLightingAndDraw(distSqr1);
    
    if ((condition & 0x00F0) != 0)
    
        // distSqr2 was less-than-or-equal-to the maximum
        CalcLightingAndDraw(distSqr2);
    
    if ((condition & 0x0F00) != 0)
    
        // distSqr3 was less-than-or-equal-to the maximum
        CalcLightingAndDraw(distSqr3);
    
    if ((condition & 0xF000) != 0)
    
        // distSqr4 was less-than-or-equal-to the maximum
        CalcLightingAndDraw(distSqr4);
    

这不会产生非常高效的代码，因为您必须执行很多条件测试和分支操作。您也许可以继续并行化主if 块内部 的一些照明计算。我不能确定这是否可行，因为我没有关于您的算法/设计的足够详细信息。

否则，如果您无法从绘图代码中获得更多的并行性，那么使用显式 SSE 内在函数在这里不会给您带来太多好处。您能够并行化 一个 比较 (_mm_cmple_ps)，但设置该比较的开销 (_mm_set_ps，可能会编译为 vinsertps 或 unpcklps+movlhps指令，假设输入已经在 XMM 寄存器中）将抵消您可能获得的任何微不足道的收益。可以说你也可以像这样编写代码：

float maxDistSqr = k->getMaxDistance() * k->getMaxDistance();
if (distSqr1 <= maxDistSqr)

    CalcLightingAndDraw(distSqr1);

if (distSqr2 <= maxDistSqr)

    CalcLightingAndDraw(distSqr2);

if (distSqr3 <= maxDistSqr)

    CalcLightingAndDraw(distSqr3);

if (distSqr4 <= maxDistSqr)

    CalcLightingAndDraw(distSqr4);

【讨论】：

关于从__m128 到__m128i 的演员，你提到GCC 需要（MSVC 也需要），有内在函数就是为了这个。在这种情况下，它将是_mm_castps_si128。有点冗长，但就是这样。我认为检测在整数和浮点指令之间切换可能出现的性能问题是/很有帮助的。