为什么GCC避免多元素联合使用向量寄存器？

huwehgph 于 2023-01-05 发布在其他

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我注意到，当给定SIMD向量类型和任何其他大小相同、对齐方式相同但不是向量类型的并集时，GCC生成的代码非常不同（而且效率较低）。
特别地，正如在这个Godbolt示例中可以看到的，当__m128向量类型与非向量类型放在一个并集中时，该并集被传递到两个XMM寄存器中（每个参数）然后加载到堆栈上以便与addps一起使用，而不是在单个XMM寄存器中传递并直接与addps一起使用。对于仅包含__m128和__m128向量本身的并集的另外两种情况，自变量和返回直接在XMM寄存器中传递，并且不使用堆栈。
是什么导致了这种差异？有没有办法"强制" GCC在XMM寄存器中传递多元素联合？
带接头：

#include <immintrin.h>
#include <array>

union simd
{
    __m128 vec;
    alignas(__m128) std::array<float, 4> values; 
};

simd add(simd a, simd b) noexcept
{
    simd ret;
    ret.vec = _mm_add_ps(a.vec, b.vec);
    return ret;
}

add(simd, simd):
        movq    QWORD PTR [rsp-40], xmm0
        movq    QWORD PTR [rsp-32], xmm1
        movq    QWORD PTR [rsp-24], xmm2
        movq    QWORD PTR [rsp-16], xmm3
        movaps  xmm4, XMMWORD PTR [rsp-24]
        addps   xmm4, XMMWORD PTR [rsp-40]
        movaps  XMMWORD PTR [rsp-40], xmm4
        movq    xmm1, QWORD PTR [rsp-32]
        movq    xmm0, QWORD PTR [rsp-40]
        ret

未愈合：
一个二个一个一个
注意，当__m128向量被 Package 在一个封闭的结构体或联合体中时，第二种情况也适用。

gcc

来源：https://stackoverflow.com/questions/74987143/why-does-gcc-avoid-vector-registers-for-multi-element-unions

1条答案

按热度按时间

uidvcgyl1#

正如Homer 512所怀疑的，答案就在AMD 64调用约定中。
根据System V AMD 64 ABI第3.2.3节，每8个字节接收其自己的参数类（小于8个字节的参数分组在一起或填充）。
对于在单个向量寄存器中传递的参数，它必须至少包含一个SSE类，后跟任意数量的SSEUP类。SSE类表示寄存器的低64位，而SSEUP表示高64位。
例如，__m128和其他向量被视为由SSE和SSEUP类组成的多个8字节参数，因此它们在单个寄存器中传递。反过来，每个标量float被分配SSE参数类，并在寄存器的较低部分传递。
但是，聚合类型（数组、结构和类）和联合的参数类是根据它们的组合确定的。
因此，给定工会：

union simd
{
    __m128 vec;
    float vals[4];
};

__m128 vec向量福尔斯特殊情况规则，分类为SSE+SSEUP，因此可以通过单个寄存器传递。到目前为止一切顺利。但是，由于float vals[4]数组由2个（独立的！）8字节块，并且每个8字节块被分配SSE类，阵列本身又被分类为SSE+SSE，这不符合SSE+SSEUP要求，这又迫使使用2个单独的XMM寄存器的较低部分来传递它，并且作为最小公分母，导致并集本身被视为2个自变量并在2个寄存器中传递。
简言之，调用约定将数组视为2个单独的8字节参数，因此必须在2个单独的寄存器中传递它，而独立的__m128被视为单个参数，在单个寄存器中传递。
奇怪的是，这使得下面的结合

union simd
{
    __m128 vec;
    float vals[2];
};

实际上被视为SSE+ SSEUP类，因此在单个寄存器中传递。__m128 vec被视为SSE & SSEUP，而float vec[2]被视为单个SSE类。
不幸的是，似乎没有办法向编译器显式指定（或提示）参数类。

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