c++ - 在比较中，GCC 似乎更喜欢小的即时值。有没有办法避免这种情况？

Question

首先是一个微不足道的数学事实:给定整数 n和 m , 我们有 n < m当且仅当 n <= m - 1 .

GCC 似乎更喜欢较小绝对值的即时值。因此，当 m已知并且满足其他条件，编译器在等效比较表达式中选择一个最小化绝对值的表达式。例如，它更喜欢 n <= 1000在 n < 1001和 GCC 9.2 翻译了这个

bool f(uint32_t n) {
  return n < 1001;
}

进入此 x86汇编代码

f(unsigned int):
  cmpl $1000, %edi
  setbe %al
  ret

这可能有很好的性能原因，但这不是我的问题。我想知道的是: 有没有办法强制 GCC 保持原始比较？ 更具体地说，我不担心可移植性，因此，GCC 细节(选项、编译指示、属性等)对我来说是可以的。但是，我正在寻找 constexpr友好的解决方案似乎排除了内联 asm .最后，我的目标是 C++17，它不包括 std::is_constant_evaluated 之类的东西。 . (话虽如此，请尽管不顾我的限制自由地提供答案，因为它可能对其他人仍然有用。)

你可能会问我为什么要做这样的事情。开始了。据我所知(如果我错了，请 纠正我 )这种行为可能是对 x86_64 的“悲观”在以下示例中:

bool g(uint64_t n) {
  n *= 5000000001;
  return n < 5000000001;
}

由 GCC 6.2 翻译成

g(unsigned long):
  movabsq $5000000001, %rax
  imulq %rax, %rdi
  movabsq $5000000000, %rax
  cmpq %rax, %rdi
  setbe %al
  ret

在 x86_64 ，使用 64 位立即数的计算有一些限制，可能意味着将这些值加载到寄存器中。在上面的例子中，这发生了两次:常量 5000000001和 5000000000存储在 rax用于乘法和比较。如果 GCC 保留 C++ 代码中出现的原始比较(即针对 5000000001)，则不需要第二个 movabs .

这也意味着代码大小的惩罚，我猜这被认为是一个问题，并且更新版本的 GCC(例如 9.2)产生了这个:

g(unsigned long):
  movabsq $5000000001, %rax
  imulq %rax, %rdi
  subq $1, %rax
  cmpq %rax, %rdi
  setbe %al
  ret

因此 10 字节长 movabs被 4 字节长的 subq 取代操作说明。无论如何， subq似乎也没有必要。

Answer 1

这是一个 C++20 解决方案，遗憾的是，我不能使用

#include <cstdint>
#include <type_traits>

template <class U>
bool less_asm(U n, U m) noexcept {
  bool r;
  asm("cmp%z[m]\t{%[m], %[n]|%[n], %[m]}"
    : "=@ccb"(r) : [n]"r"(n), [m]"re"(m) : "cc");
  return r;
}

template <class U>
constexpr bool less(U n, U m) noexcept {
  if (std::is_constant_evaluated())
    return n < m;
  return less_asm(n, m);
}

static_assert(less(uint64_t(0), uint64_t(1)));

bool g(uint64_t n) {
  n *= 5000000001;
  return less<uint64_t>(n, 5000000001);
}

GCC 9.2 (with -O2 -std=c++2a) 生成这个:

g(unsigned long):
  movabsq $5000000001, %rax
  imulq %rax, %rdi
  cmpq %rax, %rdi
  setc %al
  ret

更新:下面的代码片段显示了两个改进:

它适用于 C++17，但需要 GCC-9.1 或更高版本。 (感谢 Peter Cordes ' 建议使用 __builtin_constant_p() 而不是 std::is_constant_evaluated() 。以前的 GCC 版本提示 asm 出现在 constexpr 函数中。)

它在范围内引入较少的名称。 (通过使用 lambda 而不是 less_asm 。)

template <class U>
constexpr bool less(U n, U m) noexcept {
  if (__builtin_constant_p(n < m))
    return n < m;
  return [&]{
    bool r;
    asm("cmp\t{%[m], %[n]|%[n], %[m]}"
      : "=@ccb"(r) : [n]"r"(n), [m]"re"(m) : "cc");
    return r;
  }();
}