c++ - std::vector sum ASM 解释

Question

我正在玩弄 Compiler Explorer ，我正在努力理解一个简单 std::vector<int> 的 ASM 输出 (x86 Clang 3.7 -O3)求和函数:

#include <vector>
#include <numeric>

int sum(const std::vector<int>& v)
{
    return std::accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
}

此代码的 ASM 是:

sum(std::vector<int, std::allocator<int> > const&):              # @sum(std::vector<int, std::allocator<int> > const&)
        movq    (%rdi), %rsi
        movq    8(%rdi), %r11
        xorl    %eax, %eax
        cmpq    %r11, %rsi
        je      .LBB0_13
        movabsq $9223372036854775800, %rax # imm = 0x7FFFFFFFFFFFFFF8
        leaq    -4(%r11), %rdx
        movq    %rdx, %r10
        subq    %rsi, %r10
        shrq    $2, %r10
        incq    %r10
        xorl    %edi, %edi
        movq    %r10, %r8
        andq    %rax, %r8
        pxor    %xmm0, %xmm0
        je      .LBB0_2
        andq    %r10, %rax
        leaq    -8(%rax), %r9
        movl    %r9d, %ecx
        shrl    $3, %ecx
        incl    %ecx
        xorl    %edi, %edi
        testb   $3, %cl
        je      .LBB0_4
        subl    %esi, %edx
        shrl    $2, %edx
        incl    %edx
        andl    $24, %edx
        addl    $-8, %edx
        shrl    $3, %edx
        incl    %edx
        andl    $3, %edx
        negq    %rdx
        pxor    %xmm0, %xmm0
        xorl    %edi, %edi
        pxor    %xmm1, %xmm1
.LBB0_6:                                # %vector.body.prol
        movdqu  (%rsi,%rdi,4), %xmm2
        movdqu  16(%rsi,%rdi,4), %xmm3
        paddd   %xmm2, %xmm0
        paddd   %xmm3, %xmm1
        addq    $8, %rdi
        incq    %rdx
        jne     .LBB0_6
        jmp     .LBB0_7
.LBB0_2:
        pxor    %xmm1, %xmm1
        jmp     .LBB0_11
.LBB0_4:
        pxor    %xmm0, %xmm0
        pxor    %xmm1, %xmm1
.LBB0_7:                                # %vector.body.preheader.split
        leaq    (%rsi,%r8,4), %rdx
        cmpq    $24, %r9
        jb      .LBB0_10
        subq    %rdi, %rax
        leaq    112(%rsi,%rdi,4), %rsi
.LBB0_9:                                # %vector.body
        movdqu  -112(%rsi), %xmm2
        movdqu  -96(%rsi), %xmm3
        movdqu  -80(%rsi), %xmm4
        movdqu  -64(%rsi), %xmm5
        paddd   %xmm0, %xmm2
        paddd   %xmm1, %xmm3
        paddd   %xmm4, %xmm2
        paddd   %xmm5, %xmm3
        movdqu  -48(%rsi), %xmm4
        movdqu  -32(%rsi), %xmm5
        paddd   %xmm2, %xmm4
        paddd   %xmm3, %xmm5
        movdqu  -16(%rsi), %xmm0
        movdqu  (%rsi), %xmm1
        paddd   %xmm4, %xmm0
        paddd   %xmm5, %xmm1
        subq    $-128, %rsi
        addq    $-32, %rax
        jne     .LBB0_9
.LBB0_10:
        movq    %rdx, %rsi
        movq    %r8, %rdi
.LBB0_11:                               # %middle.block
        paddd   %xmm1, %xmm0
        pshufd  $78, %xmm0, %xmm1       # xmm1 = xmm0[2,3,0,1]
        paddd   %xmm0, %xmm1
        pshufd  $229, %xmm1, %xmm0      # xmm0 = xmm1[1,1,2,3]
        paddd   %xmm1, %xmm0
        movd    %xmm0, %eax
        cmpq    %rdi, %r10
        je      .LBB0_13
.LBB0_12:                               # %.lr.ph.i
        addl    (%rsi), %eax
        addq    $4, %rsi
        cmpq    %rsi, %r11
        jne     .LBB0_12
.LBB0_13:                               # %int std::accumulate<__gnu_cxx::__normal_iterator<int const*, std::vector<int, std::allocator<int> > >, int>(__gnu_cxx::__normal_iterator<int const*, std::vector<int, std::allocator<int> > >, __gnu_cxx::__normal_iterator<int const*, std::vector<int, std::allocator<int> > >, int) [clone .exit]
        req

为了比较，具有相同功能但使用 std::vector<double> 的 ASM是:

sum(std::vector<double, std::allocator<double> > const&):
        movq    8(%rdi), %rdx
        movq    (%rdi), %rax
        pxor    %xmm0, %xmm0
        cmpq    %rax, %rdx
        je      .L4
.L3:
        addsd   (%rax), %xmm0
        addq    $8, %rax
        cmpq    %rax, %rdx
        jne     .L3
        rep ret
.L4:
        rep ret

std::vector<double> 的 ASM看起来相当微不足道，而 std::vector<int> 的 ASM显得明显更复杂。我假设 std::vector<int> 正在进行一些巧妙的优化，但我有点不知所措，无法解释发生了什么。有没有大佬解惑一下？

Answer 1

简短的回答 - 编译器已经向量化并展开了用于添加整数的循环。比较 vector<double>具有这些行的版本:

addsd   (%rax), %xmm0
addq    $8, %rax

这意味着它向总和中添加一个 double 值，然后继续移动 8 个字节并循环。

vector<int> 的主循环中的相同代码版本:

movdqu  -112(%rsi), %xmm2
movdqu  -96(%rsi), %xmm3
movdqu  -80(%rsi), %xmm4
movdqu  -64(%rsi), %xmm5
...
movdqu  -48(%rsi), %xmm4
movdqu  -32(%rsi), %xmm5
...
movdqu  -16(%rsi), %xmm0
...
movdqu  (%rsi), %xmm1
...
subq    $-128, %rsi

movdq显示它一次执行 16 个字节(4 个整数)和 subq $-128, %rsi显示它在 8 个负载的单个循环中执行 128 个字节(或 32 个整数)。循环每次迭代的最终结果将接下来的 32 个整数添加到 xmm0:xmm1 中的 8 个槽之一

LBB0_11然后从主循环中获取输出(xmm0 和 xmm1 中的 8 个整数)并求出它们的总和。

LBB0_12然后完成主循环无法使用的 vector 末尾的任何整数(因为主循环同时处理 32 个整数)

它将加法矢量化，因此它可以一次处理 4 个整数，这通常比一次处理一个整数要快。它还展开循环，以便它可以在每个循环中执行超过 1 次的添加迭代。

矢量化说明:What does vectorization mean?

循环展开的解释:When, if ever, is loop unrolling still useful?

我没有分析整数情况下代码的开头，但通常这是通过在开始主循环之前将其对齐到 16 字节边界来设置循环。