如何使用 SIMD 检查偶数/奇数车道是否在给定范围内？

Question

给定一个存储 16 个

__m128i

s 的

char

，偶数索引车道指的是 even 车道（即位于 0、2、4、...、14 的车道），奇数索引车道指的是奇数 车道（即 1、3、5、... 15 处的车道）。

在我的应用程序中，偶数/奇数车道必须在给定范围内。例如，假设

even_min

为1，

even_max

为7，

odd_min

为5，

odd_max

为10：

# valid
vec1: [1, 5, 6, 10, 2, 6, 4, 6, 2, 7, 4, 9, 2, 7, 4, 8] 

# invalid because 0-th (even) is greater than even_max
vec2: [8, 5, 6, 10, 2, 6, 4, 6, 2, 7, 4, 9, 2, 7, 4, 8]

如何更高效地检查是否有效？

我目前的解决方案很简单，分别查看两个比较结果：

  __m128i even_min = _mm_set1_epi8(xxx);
  __m128i even_max = _mm_set1_epi8(xxx);
  __m128i even_mask =
      _mm_set_epi8(0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1);

  __m128i evenRange = _mm_and_si128(_mm_cmpge_epi8(vec, even_min),
                                    _mm_cmple_epi8(vec, even_max));
  bool isEvenOk = _mm_testc_si128(evenRange, even_mask);

// the code for checking odd bytes is similar

注意，要使用 inclusive 条件比较无符号字符，两个宏定义如下：

#define _mm_cmpge_epi8(a, b) _mm_cmpeq_epi8(_mm_max_epu8(a, b), a)

#define _mm_cmple_epi8(a, b) _mm_cmpge_epi8(b, a)

Answer 1

制作一个每车道

min

值的向量，另一个每车道

max

es的向量。例如，

_mm_set1_epi16((odd_min<<8) | (uint8_t)even_min)

。 （注意转换以避免符号扩展）。

然后你只需要一次范围检查。你应该更有效地做，而不是通过每个 2 条指令模拟 cmpge 和 cmple。正如安德烈在评论中所建议的，一个简单的方法是

v == min(max(v, a), b)

，这与您的

v == min(v, a)

相同。

其他可能性包括

(v < mins) | (v > maxes)

和检查没有元素是真的。

_mm_movemask_epi8(or_result) == 0

。这具有更好的关键路径延迟，因为我们有两个独立的比较，而不是 3 个操作链。两种方式都需要原始矢量的副本（除非您使用 AVX 进行编译以允许单独的目标）。

或

(v > min-1) & (v < max+1)

，这对于编译时常数最小值/最大值是可行的。如果 min 已经是 INT8_MIN，则它始终为真，因此它优化为只需要另一个条件。除了当 even_min 是 -128 但 odd_min 是其他东西时这是一个问题：没有任何值可以使

pcmpgtb

对于偶数通道中的所有输入始终为真，同时仍然检查奇数通道。我一直认为AND可以作为

ptest

（

_mm_test_*

）的一部分来完成，但实际上没有

_mm_test_all_ones

。如果 128 位与结果中有任何非零位，则 ZF 被清除。 （CF 也一样，基于 ANDN 结果。）

或者两次使用

cmpgt

并反转其中一个结果作为组合它们的一部分，例如与

_mm_andnot_si128

（

pandn

）

---

ptest

在比较结果上不是很有效，因为它在大多数 CPU 上解码为 2 微指令；

pmovmskb

+ 标量

cmp

或

test

也是 2 uops (https://uops.info)，并且 cmp 或测试可以与分支宏融合，如果你在它上面分支。

ptest

确实避免了需要一个临时寄存器，并且如果您正在测试一个您也想稍后使用的向量（不是比较结果），则可能会保存一个

movdqa

寄存器副本，但通常只有在您实际使用时才好它只检查某些元素的能力（比如你的奇数/偶数掩码）。

在您的情况下，即使采用两次单独比较的策略，更好的策略可能是 2x

_mm_movemask_epi8

和

(evens & (odds>>1) & 0x5555 == 0x5555

。 （0x5555 是 0b0101...0101，只是测试偶数元素）。

或

_mm_srli_epi16(odds, 8)

/

_mm_and_si128(evens, shifted_odds)

以获得一个向量，其中偶数元素具有您关心的结果。 （奇数元素为零，因为逻辑移位在那里产生了零，所以

_mm_movemask_epi8(and_result) == 0x5555

不需要屏蔽掉我们不关心的元素。）