清除 __m128i 的高位字节

Question

如何清除 a 的16 - i高字节__m128i？

我试过这个；它有效，但我想知道是否有更好（更短、更快）的方法：

int i = ...  //  0 < i < 16

__m128i x = ...

__m128i mask = _mm_set_epi8(
    0,
    (i > 14) ? -1 : 0,
    (i > 13) ? -1 : 0,
    (i > 12) ? -1 : 0,
    (i > 11) ? -1 : 0,
    (i > 10) ? -1 : 0,
    (i >  9) ? -1 : 0,
    (i >  8) ? -1 : 0,
    (i >  7) ? -1 : 0,
    (i >  6) ? -1 : 0,
    (i >  5) ? -1 : 0,
    (i >  4) ? -1 : 0,
    (i >  3) ? -1 : 0,
    (i >  2) ? -1 : 0,
    (i >  1) ? -1 : 0,
    -1);

x = _mm_and_si128(x, mask);

Answer 1

我尝试了几种不同的实现方式，并在早期的 Core i7 @ 2.67 GHz 和最近的 Haswell @ 3.6 GHz 上使用几个不同的编译器对它们进行了基准测试：

//
// mask_shift_0
//
// use PSHUFB (note: SSSE3 required)
//

inline __m128i mask_shift_0(uint32_t n)
{
  const __m128i vmask = _mm_set1_epi8(255);
  const __m128i vperm = _mm_set_epi8(112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127);
  __m128i vp = _mm_add_epi8(vperm, _mm_set1_epi8(n));
  return _mm_shuffle_epi8(vmask, vp);
}

//
// mask_shift_1
//
// use 16 element LUT
//

inline __m128i mask_shift_1(uint32_t n)
{
  static const int8_t mask_lut[16][16] __attribute__ ((aligned(16))) = {
    { -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1 }
  };
  return _mm_load_si128((__m128i *)&mask_lut[n]);
}

//
// mask_shift_2
//
// use misaligned load from 2 vector LUT
//

inline __m128i mask_shift_2(uint32_t n)
{
  static const int8_t mask_lut[32] = {
    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1
  };
  return _mm_loadu_si128((__m128i *)(mask_lut + 16 - n));
}

//
// mask_shift_3
//
// use compare and single vector LUT
//

inline __m128i mask_shift_3(uint32_t n)
{
  const __m128i vm = _mm_setr_epi8(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16);
  __m128i vn = _mm_set1_epi8(n);
  return _mm_cmpgt_epi8(vm, vn);
}

//
// mask_shift_4
//
// use jump table and immediate shifts
//

inline __m128i mask_shift_4(uint32_t n)
{
  const __m128i vmask = _mm_set1_epi8(-1);
  switch (n)
  {
    case 0:
      return vmask;
    case 1:
      return _mm_slli_si128(vmask, 1);
    case 2:
      return _mm_slli_si128(vmask, 2);
    case 3:
      return _mm_slli_si128(vmask, 3);
    case 4:
      return _mm_slli_si128(vmask, 4);
    case 5:
      return _mm_slli_si128(vmask, 5);
    case 6:
      return _mm_slli_si128(vmask, 6);
    case 7:
      return _mm_slli_si128(vmask, 7);
    case 8:
      return _mm_slli_si128(vmask, 8);
    case 9:
      return _mm_slli_si128(vmask, 9);
    case 10:
      return _mm_slli_si128(vmask, 10);
    case 11:
      return _mm_slli_si128(vmask, 11);
    case 12:
      return _mm_slli_si128(vmask, 12);
    case 13:
      return _mm_slli_si128(vmask, 13);
    case 14:
      return _mm_slli_si128(vmask, 14);
    case 15:
      return _mm_slli_si128(vmask, 15);
  }
}

//
// lsb_mask_0
//
// Contributed by by @Leeor/@dtb
//
// uses _mm_set_epi64x
//

inline __m128i lsb_mask_0(int n)
{
  if (n >= 8)
    return _mm_set_epi64x(~(-1LL << (n - 8) * 8), -1);
  else
    return _mm_set_epi64x(0, ~(-1LL << (n - 0) * 8));
}

//
// lsb_mask_1
//
// Contributed by by @Leeor/@dtb
//
// same as lsb_mask_0 but uses conditional operator instead of if/else
//

inline __m128i lsb_mask_1(int n)
{
  return _mm_set_epi64x(n >= 8 ? ~(-1LL << (n - 8) * 8) : 0, n >= 8 ? -1 : ~(-1LL << (n - 0) * 8));
}

结果很有趣：

Core i7 @ 2.67 GHz，Apple LLVM gcc 4.2.1 (gcc -O3)

mask_shift_0: 2.23377 ns
mask_shift_1: 2.14724 ns
mask_shift_2: 2.14270 ns
mask_shift_3: 2.15063 ns
mask_shift_4: 2.98304 ns
lsb_mask_0:   2.15782 ns
lsb_mask_1:   2.96628 ns

Core i7 @ 2.67 GHz，Apple clang 4.2 (clang -Os)

mask_shift_0: 1.35014 ns
mask_shift_1: 1.12789 ns
mask_shift_2: 1.04329 ns
mask_shift_3: 1.09258 ns
mask_shift_4: 2.01478 ns
lsb_mask_0:   1.70573 ns
lsb_mask_1:   1.84337 ns

Haswell E3-1285 @ 3.6 GHz，gcc 4.7.2 (gcc -O2)

mask_shift_0: 0.851416 ns
mask_shift_1: 0.575245 ns
mask_shift_2: 0.577746 ns
mask_shift_3: 0.850086 ns
mask_shift_4: 1.398270 ns
lsb_mask_0:   1.359660 ns
lsb_mask_1:   1.709720 ns

所以mask_shift_4(switch/case) 似乎是所有情况下最慢的方法，而其他方法非常相似。基于 LUT 的方法似乎始终是最快的。

注意：我得到了一些可疑的快速数字clang -O3和gcc -O3（仅限 gcc 4.7.2） - 我需要查看这些情况下生成的程序集以查看编译器在做什么，并确保它没有做任何“聪明”的事情，例如优化掉时序测试工具的某些部分。

如果其他人对此有任何进一步的想法或有另一个 mask_shift 实现他们想尝试，我很乐意将其添加到测试套件并更新结果。