奇怪的/fp浮点模型标志行为

Question

我正在检查使用/fp:precise和/fp:fast标志的代码。

根据/fp:precise的MSDN文档：

在x86处理器上，编译器将对float类型的变量执行四舍五入，以适当的精度进行赋值、强制转换和传递参数给函数。这种舍入保证数据不会保留任何大于其类型容量的重要性。使用/ fp:precise编译的程序可能比未使用/ fp:precise编译的程序更慢、更大。 /fp:precise禁用了内置函数；而是使用标准运行时库例程。有关更多信息，请参见/Oi(生成内置函数)。

查看调用sqrtf的反汇编（使用/arch:SSE2，目标x86 / Win32平台）：

0033185D  cvtss2sd    xmm0,xmm1  
00331861  call        __libm_sse2_sqrt_precise (0333370h)  
00331866  cvtsd2ss    xmm0,xmm0  

从这个问题中，我相信现代的x86/x64处理器不使用80位寄存器（或者至少不鼓励使用），所以编译器会采用我认为是次优的方法，使用64位浮点数进行计算。由于内部函数被禁用，因此调用库函数sqrtf。

好的，很公平，这似乎符合文档所说的。

然而，当我编译x64架构时，出现了一些奇怪的情况：

000000013F2B199E  movups      xmm0,xmm1  
000000013F2B19A1  sqrtps      xmm1,xmm1  
000000013F2B19A4  movups      xmmword ptr [rcx+rax],xmm1  

计算不使用64位浮点数，而是使用指令集。据我所知，结果与使用/fp:fast标志完全相同。

为什么存在这两者之间的差异？/fp:precise在x64平台上不起作用吗？

现在，作为一项健全性检查，我在VS2010 x86中测试了相同的代码，并使用了/fp:precise和/arch:SSE2。令人惊讶的是，使用了sqrtpd指令。

00AF14C7  cvtps2pd    xmm0,xmm0  
00AF14CA  sqrtsd      xmm0,xmm0  
00AF14CE  cvtpd2ps    xmm0,xmm0 

这里发生了什么？为什么VS2010使用内置函数而VS2012调用系统库？

针对x64平台测试VS2010的结果与VS2012类似（/fp:precise似乎被忽略）。

我没有访问旧版VS的权限，因此无法在这些平台上进行任何测试。

供参考，我正在Windows 7 64位上进行测试，使用的是Intel i5-m430处理器。

- helloworld922

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这真的很奇怪。我知道/fp:precise有时会导致编译器自行将中间值提升到更高的精度，但这并不能解释这里的绝对不一致性。 - Mysticial

请再说一遍？我相信x86架构没有80位寄存器。 - Pascal Cuoq

是的，措辞有些奇怪。更新以澄清一般建议不要使用它们。 - helloworld922

@PascalCuoq 回应您（已删除）答案上的评论。有3种模式，precise、fast和strict。据我所知，precise意味着编译器将尽可能生成精确的结果。（可能以性能为代价）fast是不言自明的，与GCC的ffast-math相同。strict严格遵循IEEE标准。 - Mysticial

Answer 1

首先，您应该阅读this关于中间浮点精度的优秀博客文章。该文章仅涉及Visual Studio生成的代码（但这正是您问题的关键所在）。现在来看看例子：

0033185D  cvtss2sd    xmm0,xmm1  
00331861  call        __libm_sse2_sqrt_precise (0333370h)  
00331866  cvtsd2ss    xmm0,xmm0  

此汇编代码是使用/fp:precise /arch:SSE2选项为x86平台生成的。根据文档，在x86平台上，精确浮点模型会将所有计算内部提升为双精度。它还防止使用内部函数（我认为你已经阅读了这些信息）。因此，代码从float转换为double，然后调用双精度sqrt，最后将结果转换回float。

000000013F2B199E  movups      xmm0,xmm1  
000000013F2B19A1  sqrtps      xmm1,xmm1  
000000013F2B19A4  movups      xmmword ptr [rcx+rax],xmm1

第二个示例已经编译为x64（amd64）平台，该平台的行为完全不同！根据文档：

为了提高性能，中间操作是在任一操作数的最宽精度上计算，而不是在可用的最宽精度上计算。

因此，计算将在内部使用单精度。我认为他们还决定尽可能使用Intrinsics，因此在x64平台上，/fp:precise和/fp:fast之间的差异略小。新的行为导致更快的代码，并且它使程序员更加控制发生的事情（他们能够改变游戏规则，因为兼容性问题对于新的x64平台不是问题）。不幸的是，这些更改/差异没有在文档中明确说明。

00AF14C7  cvtps2pd    xmm0,xmm0  
00AF14CA  sqrtsd      xmm0,xmm0  
00AF14CE  cvtpd2ps    xmm0,xmm0 

最后，这个例子是使用Visual Studio 2010编译的，我认为他们在sqrt函数上意外地使用了内部函数，而他们应该不这样做（至少对于/fp:precise模式来说），但是他们在Visual Studio 2012中决定改变/修复这种行为（参见此处）。

- eel76