优化 "i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)"

Question

我希望能够设置或清除一个 uintX_t t 的（多个）位。 i 是运行时变量（uintX_t）。b 是运行时变量（uintX_t），其被限制为 0 或 1。 mask 是编译时常量。

是否有比以下方式更好的方法:

i = b ? (i | mask) : (i & ~mask)

我希望尽可能避免分支。如果有影响，目标平台是ARM。

- fadedbee

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i = b 还是 i == b？ - Hong Ooi

@HongOoi i = (b ? (i | mask) : (i & ~mask)) @HongOoi i =（b？（i | mask）：（i＆〜mask）） - fadedbee

Answer 1

利用-1u是所有位都设置的值的事实：

i = (i & ~mask) | (mask & -b);

或者

i ^= (i ^ -b) & mask;

第二种方法可以减少操作次数和代码大小。在超标量架构上，第一种方法可能仍然更快，因为某些操作可以并行执行。

- nwellnhof

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“-b”和“-1u”并不是同一回事。如果“b”是任何有符号性质的小整数类型，你最终会得到一个负数。而“-1u”则总是一个正数。在这种特定情况下，这不会成为问题，但在像“(mask & -b) << n”这样的代码中，这将是灾难性的。 - Lundin

@Lundin 对的，如果“b”比“int”窄，并且平台不使用二进制补码，则我的答案中的代码实际上存在问题。在这种情况下，需要进行额外的转换“-（unsigned）b”。 - nwellnhof

Answer 2

这里的想法是用乘法来替换分支语句，在这种情况下，我们可以根据b的值将每个侧面都设置为零：

i = (i | (mask * b)) & (~mask | (mask * b));

- Guilherme Campos Hazan

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我在Java中进行了测试，如果您想要，我可以发布Java测试代码，以证明它确实有效。 - Guilherme Campos Hazan

现在的问题是：从性能损失的角度来看，分支和乘法哪个更糟？ - Jabberwocky

在我的测试中，我使用了 i = 101（二进制），掩码 = 110（二进制） - Guilherme Campos Hazan

你可以很容易地发现，将两个代码添加并分别运行100万次，并测量时间。 - Guilherme Campos Hazan

如果你的乘法运算速度较慢（通常值得这样重写），你可以将乘法运算轻松地重写为否定和按位与。 - harold

Answer 3

另一个选择：始终将位设置为0（左侧），并可选地将位设置为1（右侧）。

i = (i & ~mask) | (mask * b);

- user694733

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这也是从Guilherme的答案中得出的结论，使用该答案或分配运算符。 - harold

@harold 你的评论有没有漏掉什么？结尾看起来很奇怪。 - user694733

不，我只是没有清楚地格式化它，我的意思是OR可以分配给AND。 - harold

Answer 4

最易读的方法是分几步来完成 - 这样做不会影响性能，但会提高可读性。

像位运算符一样，您必须小心隐式类型提升。例如，粗心使用 ~ 倾向于创建隐式提升错误。(三目运算符通过平衡第二个和第三个操作数来静默地提升结果。)

易读、便携、安全的代码:

uintx_t i = ... ;
uintx_t b = ... ;  // 1 or 0

i &= (uintx_t)~mask;   // always clear the bit
i |= mask * b;         // if b is 1, set the bit, otherwise OR with 0

- Lundin

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谢谢，我喜欢这种易读的方法。如果在AVR上i是PORTA，这会导致GPIO故障吗？还是这两个语句在编译期间合并为一个语句？我期望PORTA被标记为volatile以防止发生这种情况。 - fadedbee

@chrisdew 这会导致GPIO在几个时钟周期内变低。编译器不允许优化代码，因为PORTA是一个易失性寄存器。但在某些硬件上，GPIO端口可能需要几个时钟周期来稳定。 - Lundin