在Rust语言中，哪些整数操作有更高性能的替代方法？

Question

在Rust中编写整数函数时（例如像素处理），使用性能最高的操作很有用，类似于C/C++。虽然参考手册解释了行为的更改，但并不总是清楚哪些方法比标准整数算术运算更高效。（请参见注1）我认为wrapping_add编译后等同于C语言的加法。在标准操作（加/减/乘/取模/除/移位/位操作...）中，哪些操作有更高效的替代方法，而默认情况下没有使用？

注： 1.通过“标准”，我指的是使用符号a+b、i/k或c%e等的整数算术。编写数学表达式时会使用它们，除非您有特殊需要使用其中一种包装或返回溢出的方法。 2.我意识到回答这个问题可能需要一些研究。所以我很乐意通过查看生成的汇编来检查使用未检查/原始操作的哪些操作。 3.如果检查/未检查操作之间的速度差异不显着，那么我仍然希望能够编写一个“快速”版本的函数与“安全”版本进行比较，以得出自己对于给定函数是否合理的结论。 4.提到像素处理后，SIMD被提出作为一种可能的解决方案。即使这是个好建议，仍然有一些情况无法使用SIMD进行优化，因此仍需考虑快速整数算术的一般情况。

- ideasman42

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我不太清楚你所说的“标准”整数算术是什么意思。例如，在 Release 模式下，默认情况下加法是 wrapping_add，因为 rustc 在 Release 模式下不会检查下溢/上溢，除非你明确要求检查。 - Matthieu M.

澄清了我所说的“标准”操作的含义。 - ideasman42

Answer 1

在标准操作中（加/减/乘/取模/除/移位/位运算...），有哪些操作有更高性能的替代方案，而这些替代方案并不是默认使用的？

请注意，Rust 是为了性能而设计的；因此，在 Debug 模式下整数操作会被检查，但在 Release 模式下，它们被定义为“wrap”，除非您明确地告诉编译器否则。

因此，在默认选项的 Release 模式下，以下操作严格来说没有任何性能差异：

+ 和 wrapping_add - 和 wrapping_sub * 和 wrapping_mul / 和 wrapping_div % 和 wrapping_rem << 和 wrapping_shl >> 和 wrapping_shr 对于无符号整数，性能与 C 或 C++ 严格相同；然而，对于有符号整数，优化器可能会产生不同的结果，因为在 C 和 C++ 中，有符号整数的下溢/上溢是未定义行为（gcc 和 Clang 接受一个 -fwrapv 标志，以强制即使对于有符号整数也进行包装，但这不是默认值）。

我预计使用 checked_ *、overflow_ * 和 saturating_ * 方法通常会更慢。

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那么，当您打开开关并明确要求检查算术时，会发生什么有趣的事情呢？

目前，Rust 实现¹是一种精确的下溢/上溢检查实现。每个加法、减法、乘法等都是独立检查的，优化器不擅长融合这些分支。

具体而言，精确实现排除了临时溢出：5 + x - 5 不能被优化为 x，因为 5 + x 可能会溢出。它也排除了自动向量化。

仅当优化器能够证明没有溢出（通常无法）时，您可能希望重新获得更易于优化的无分支路径。

应该注意的是，在一般软件中，影响几乎不可见，因为算术指令只占总成本的一小部分。然而，当这个比例上升时，它可能非常明显，并且在 Clang 的 SPEC2006 基准测试的某些部分中显示出来。

这种开销足以被认为不适合默认激活检查。 ¹ 这是由于 LLVM 方面的技术限制；Rust 实现只是委托给 LLVM。

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在未来，有希望提供一种模糊实现的检查。模糊实现的想法是，不是检查每一个操作，而是执行它们并设置标志或在下溢/上溢的情况下使值失效。然后，在使用结果之前，执行检查（分支）。

据Joe Duffy称，Midori中有这样的实现，性能影响几乎不可察觉，因此似乎是可行的。我不知道LLVM是否已经有类似的任何努力。

- Matthieu M.

Answer 2

Rust不保证其操作的速度。如果需要保证，就需要调用汇编语言。

话虽如此，目前Rust会转发到LLVM，因此您可以直接调用intrinsics（与LLVM intrinsics一一对应），并使用这些保证。但无论您做什么不是asm，要注意优化器可能有不同意见，从而使您对LLVM intrinsics的手动调用未经优化。

话虽如此，Rust力求尽可能快，因此您可以假定（或仅查看标准库的实现）所有具有相同LLVM intrinsic的操作将映射到该LLVM intrinsic，从而达到LLVM能够完成的速度。

没有一般规则适用于给定基本算术运算中最快的操作，因为它完全取决于您的用例。

- oli_obk

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这不是汇编语言。我感觉LLVM也可以优化汇编语言，我认为在某些情况下这是可以接受的。 - Shepmaster

哦，不知道那个，好吧...在那种情况下无论如何都没有押注。优化编译器不知道你想要什么，因此它们会为某些适应性进行优化。 - oli_obk

这是否意味着在任何情况下，发布模式不会因整数溢出而引发panic，或者添加检查以使其比相同的C表达式更慢？我不确定这一点，因为例如，wrapping_shl被记录为无需恐慌，并且没有提到发布模式。 - ideasman42

你不会遇到额外的恐慌。与相同的 C 表达式相比，它会更慢，仅取决于其他代码，因为 LLVM 无法进行极端优化，否则会引入未定义行为。操作本身将与 C 相当。 - oli_obk

Answer 3

思考像素处理

那么你不应该考虑单值操作，而是要使用SIMD指令。目前这些指令在稳定的Rust中尚不可用，但一些可以通过功能门控函数访问，所有指令都可以通过汇编语言访问。

LLVM是否能像clang一样将代码优化为SIMD？

正如aochagavia已经回答的，是的，LLVM会自动向量化某些类型的代码。然而，当您需要最高性能时，通常不希望将自己置于优化器的掌控之下。我倾向于在我的普通代码中期望自动向量化，然后为我的重型数学内核编写直线代码，接着编写SIMD代码，并测试其正确性和基准速度。

- Shepmaster

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LLVM是否可以像clang一样将代码优化为SIMD？- http://llvm.org/docs/Vectorizers.html - ideasman42

当然！它确实是。 - aochagavia

尽管我提到了像素处理，但这个答案忽略了一些像素处理操作无法转换为SIMD的情况。因此，虽然有帮助，但仍存在一种情况，即您想要执行快速整数运算时 - 无法使用SIMD解决。 - ideasman42