如何在GCC中将SIMD整型向量转换为浮点型？

Question

我正在为一个项目使用GCC SIMD向量扩展，一切工作得相当顺利，但是转换操作会重置向量的所有分量。

手册指出：

可以从一个向量类型转换到另一个向量类型，前提是它们具有相同的大小（事实上，您还可以将向量与具有相同大小的其他数据类型进行转换）。

以下是一个简单的示例：

#include <stdio.h>

typedef int int4 __attribute__ (( vector_size( sizeof( int ) * 4 ) ));
typedef float float4 __attribute__ (( vector_size( sizeof( float ) * 4 ) ));

int main()
{
    int4 i = { 1 , 2 , 3 , 4 };
    float4 f = { 0.1 , 0.2 , 0.3 , 0.4 };

    printf( "%i %i %i %i\n" , i[0] , i[1] , i[2] , i[3] );
    printf( "%f %f %f %f\n" , f[0] , f[1] , f[2] , f[3] );

    f = ( float4 )i;

    printf( "%f %f %f %f\n" , f[0] , f[1] , f[2] , f[3] );
}

使用gcc cast.c -O3 -o cast编译并在我的机器上运行，我得到了以下结果：

1 2 3 4
0.100000 0.200000 0.300000 0.400000
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 <-- no no no

我不是汇编大师，但我在这里看到了一些字节移动：

[...]
400454:       f2 0f 10 1d 1c 02 00    movsd  0x21c(%rip),%xmm3
40045b:       00 
40045c:       bf 49 06 40 00          mov    $0x400649,%edi
400461:       f2 0f 10 15 17 02 00    movsd  0x217(%rip),%xmm2
400468:       00 
400469:       b8 04 00 00 00          mov    $0x4,%eax
40046e:       f2 0f 10 0d 12 02 00    movsd  0x212(%rip),%xmm1
400475:       00 
400476:       f2 0f 10 05 12 02 00    movsd  0x212(%rip),%xmm0
40047d:       00 
40047e:       48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
400482:       e9 59 ff ff ff          jmpq   4003e0 

我怀疑这个标量的向量等效物：

*( int * )&float_value = int_value;

你怎么解释这种行为？

- cYrus

---

是的，看起来正在发生位运算转换（或者更确切地说，根本没有进行转换）。因此，您将获得4个非规范化浮点数，而不是实际值的转换。 - Mysticial

这就是向量转换的定义（其他任何方式都会完全疯狂，并且会使标准向量编程习惯非常难写）。如果您想要实际进行转换，您可能需要使用某种内置函数，例如 _mm_cvtepi32_ps（当然，这会破坏您的向量代码的良好架构独立性，这也很烦人；一种常见的方法是使用一个翻译头文件，定义一个可移植的“内置函数”集）。 - Stephen Canon

我理解你的观点，但问题是：这种_cast_何时会有用？ - cYrus

信不信由你，我实际上比起值转换更经常使用这种（按位）转换。 - Mysticial

@user877329 在新版本的GCC中，你需要进行强制类型转换和内置函数调用（这是GCC开发人员的低级错误，但事实就是如此）：_mm_cvtepi32_ps((__m128i)x)。 - Stephen Canon

Answer 1

那就是向量强制转换的定义（其他方式完全不合理，会使标准向量编程惯用语非常难写）。如果您想要实际进行转换，您可能需要使用某种内在功能，例如_mm_cvtepi32_ps（当然，这会破坏您的向量代码的良好架构独立性，这也很让人烦恼；一种常见的方法是使用翻译头文件，该文件定义了一组可移植的“内在功能”）。

为什么这很有用？ 有各种各样的原因，但以下是最大的原因：

在向量代码中，你几乎永远不想分支。相反，如果您需要有条件地执行某些操作，则通过逐个地评估条件两侧，并使用掩码逐个选择适当的结果。这些掩码向量通常具有整数类型，而您的数据向量通常是浮点数。你想使用逻辑运算将两者结合起来。如果向量强制转换只是重新解释位，那么这种极其常见的惯用语就最自然不过了。

当然，可以避免此类情况或任何其他常见的向量惯用语之一，但“向量是一个位包”的观点非常普遍，反映了大多数向量程序员的思维方式。

- Stephen Canon

Answer 2

你可以直接遍历元素，将int类型转换为float类型。

float4 cast(int4 x) {
    float4 y;
    for(int i=0; i<4; i++) y[i] = x[i];
    return y;
}

GCC、Clang和ICC都会为此生成一条指令cvtdq2ps xmm0, xmm0。

https://godbolt.org/g/KU1aPg

- Z boson

Answer 3

事实上，在您的情况下，甚至没有生成单个向量指令，也没有在运行时执行任何类型转换。由于开启了-O3开关，所有操作都是在编译时完成的。这四条MOVSD指令实际上是将预转换的参数加载到printf中。根据SysV AMD64 ABI，浮点参数传递在XMM寄存器中。您已经反汇编的部分是（使用-S编译得到的汇编代码）：

    movsd   .LC6(%rip), %xmm3
    movl    $.LC5, %edi
    movsd   .LC7(%rip), %xmm2
    movl    $4, %eax
    movsd   .LC8(%rip), %xmm1
    movsd   .LC9(%rip), %xmm0
    addq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    jmp     printf
    .cfi_endproc

.LC5 标记格式字符串：

.LC5:
    .string "%f %f %f %f\n"

指向格式字符串的指针属于INTEGER类，因此通过RDI寄存器传递（在VA空间的前4 GiB中的某个位置，通过向RDI的低部发出32位移动，可以节省一些代码字节）。寄存器RAX（使用EAX可节省代码字节）加载了通过XMM寄存器传递的参数数量（再次根据SysV AMD64 ABI用于调用具有可变参数数量的函数）。所有四个MOVSD（MOVe Scalar Double-precision）将对应的参数移动到XMM寄存器中。例如，.LC9标记了两个双字：

    .align 8
.LC9:
    .long   0
    .long   916455424

这两个数形成了64位的quadword 0x36A0000000000000，在64位IEEE 754表示中恰好为2^-149。在非规格化的32位IEEE 754中，它看起来像是0x00000001，因此确实是整数1的无转换（但由于printf需要double参数，它仍然被预转换为双精度）。第二个参数是：

    .align 8
.LC8:
    .long   0
    .long   917504000

这是0x36B0000000000000或64位IEEE 754中的2^-148，以及非规格化32位IEEE 754中的0x00000002。其他两个参数也是一样。

请注意，上面的代码没有使用单个堆栈变量 - 它仅使用预先计算的常量。这是由于使用了非常高的优化级别（-O3）。如果您使用较低的优化级别（-O2或更低）进行编译，则会发生实际的运行时转换。然后发出以下代码来执行类型转换：

    movaps  -16(%rbp), %xmm0
    movaps  %xmm0, -32(%rbp)

这只是将四个整数值移动到浮点向量的相应槽中，因此没有任何转换。然后对于每个元素，执行一些SSE mumbo-jumbo以将其从单精度转换为双精度（printf所期望的）。

    movss   -20(%rbp), %xmm0
    unpcklps        %xmm0, %xmm0
    cvtps2pd        %xmm0, %xmm3

(为什么不直接使用CVTSS2SD超出了我对SSE指令集的理解)

（说明：该段内容是关于IT技术中SSE指令集的翻译）

- Hristo Iliev