`isnan()` 和测试相等一样快吗？

Question

在 C 中，测试一个浮点数是否为 NaN 与测试两个浮点数是否相等一样快吗？这就是

isnan()

与两个浮点之间的简单相等测试一样快吗？

我特别感兴趣的是在标准现代 Intel/AMD 平台上使用

gcc

。

这是一段 C 代码示例。

#include <math.h>
int main(double x)
{
  return isnan(x);
}

Answer 1

在 x64 上使用 GCC，

math.h

的

isnan(float)

编译为

jmp __isnanf

使用尾部调用优化，但有效地调用函数。被调用的函数必须做一些相当于代码的事情，至少我没有看到任何更快的方法来实现它。然而，这留下了一个问题：它与比较结果相比如何。

但这并没有说明“测试浮点数是否为 NaN”有多快，因为执行此操作的方法不只有一种。最直接的方法

int isnan2(float x)
{
  return x != x;
}

实际上与比较 C 级别的浮点数是一样的。但 GCC 做到了：

xor eax, eax
ucomiss xmm0, xmm0
setp    al
ret

这与比较两个浮点数不太相同，但很接近，而且实际上更快一点。测试相等性意味着测试无序大小写，就像这里一样，但是 z 标志也必须测试，就像这样（再次来自 gcc）

xor eax, eax
mov edx, 1
ucomiss xmm0, xmm1
setp    al
cmovne  eax, edx
ret

奖励：使用

<cmath>

使

isnan

编译为与将浮点数与其自身进行比较相同的东西，请参阅链接的问题了解原因。

Godbolt 链接方便使用

我现在看到你实际上拥有了

double

，但这并没有从质上改变任何东西。

Answer 2

问题是我们是否应该在代码中使用 NaN 以外的东西来表示未知值。 （OP评论）

那么你应该将

isnan(x)

与

x == some_constant

进行比较。如果

some_constant

没有值 0 或 NAN，那么如果使用典型的 FP 表示，则比较可能只是位比较 - 在速度上很难击败它。

不过，NaN 更惯用。

Answer 3

不。相等测试是内联的，因此您需要付出调用 isnan() 的函数调用开销的代价。但平等不能在没有 IEEE 的情况下使用，所以......

Answer 4

对于 GCC（也许还有 Clang），优化

isnan()

函数调用的关键是代码中是否存在信号 NaN，以及在遇到信号 NaN 时是否会引发浮点异常。

GCC 默认情况下假定

-fno-signaling-nans

，因此

isnan(x)

可以安全地优化为

(x != x)

，在带有 SSE2 的 x86 上，它将转换为 UCOMISS 或 UCOMISD 指令。

设置

-fsignaling-nans

禁用此类优化。

ISO/IEC TS 18661-1（已纳入即将推出的 C23 标准）澄清了

isnan()

的行为，即该函数永远不会引发任何异常，即使参数是一个信号 NaN 时也是如此。 （讽刺的是，IEEE 754 中的“信号”NaN 并不总是发出信号。）

另一方面，当

(x != x)

为 sNaN 时，x 表达式

会

抛出 FP_INVALID 异常。

这里是“安静”NaN 和“信号”NaN 的各种表达式的行为的快速比较表：

              | isnan(x) | (x != x)  | (x >= x)   | isgreaterequal(x,x)
--------------+----------+-----------+------------+--------------------
-Wfloat-equal | no warn  | warn      | no warn    | no warn
--------------+----------+-----------+------------+--------------------
Finite number | false    | false     | true       | true
Infinity      | false    | false     | true       | true
NaN (quiet)   | true     | true      | FPE; false | false
SNaN          | true     | FPE; true | FPE; false | FPE; false

(表中“FPE”表示抛出浮点异常； 特别是“无效”例外。）