为什么在 C++ 中不能很好地优化天真的 abs 实现？

Question

我正在研究一个天真的实现abs(float)将如何编译并且对结果感到非常惊讶：

float abs(float x) {
    return x < 0 ? -x : x;
}

使用 -O3 处的 clang 10.1，这会导致：

.LCPI0_0:
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
abs(float):
        movaps  xmm2, xmmword ptr [rip + .LCPI0_0]
        xorps   xmm2, xmm0
        xorps   xmm3, xmm3
        movaps  xmm1, xmm0
        cmpltss xmm1, xmm3
        andps   xmm2, xmm1
        andnps  xmm1, xmm0
        orps    xmm1, xmm2
        movaps  xmm0, xmm1
        ret

我觉得这很令人惊讶，因为老实说，我只是希望浮点数的符号位被清除，这应该只是一个 XOR 指令。一定有一些关于 IEEE-754 浮点语义的东西导致了这种复杂性，但我只是不明白是什么让它变得如此复杂。为什么您只需要比较和有条件的移动？

也许是因为与 NaN 的比较总是会失败，所以在这种情况下符号位不会被清除？但是由于 NaN 的符号位可以是 0 或 1，所以这无关紧要。

相比之下，当简单地使用std::fabs输出时要简单得多，这正是人们所期望的：

.LCPI0_0:
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
        .long   2147483648              # float -0
abs(float):
        movaps  xmm2, xmmword ptr [rip + .LCPI0_0]
        xorps   xmm2, xmm0
        xorps   xmm3, xmm3
        movaps  xmm1, xmm0
        cmpltss xmm1, xmm3
        andps   xmm2, xmm1
        andnps  xmm1, xmm0
        orps    xmm1, xmm2
        movaps  xmm0, xmm1
        ret

启用-ffast-math标志时会产生相同的输出。

更新： -O3 处的 gcc 10.2 产生：

abs(float):
        pxor    xmm1, xmm1
        comiss  xmm1, xmm0
        ja      .L6
        ret
.L6:
        xorps   xmm0, XMMWORD PTR .LC1[rip]
        ret

Answer 1

IEEE 浮点空间包含许多特殊值，例如正 0 和负 0、正无穷大和负无穷大以及两个“非数字”族 (NaN)。所有这些值都具有明确定义的语义。运算<符，因此编译器必须生成正确处理所有特殊情况的代码。

该标志-ffast-math可用于通知编译器，它可以假设未使用特殊值，正 0 和负 0 之间的区别无关紧要，并做出一些其他简化假设（例如加法是结合的）。使用此标志，clang 会生成最适合您的abs函数的代码：

abs:
        andps   .LCPI0_0(%rip), %xmm0
        retq

默认情况下选择尊重有些巴洛克式的 IEEE 语义是有争议的。-mpgcc 和 clang 之外的编译器倾向于做出相反的选择，它们默认编译快速且紧凑的代码，并且如果需要完全符合 IEEE 要求（例如，在 Intel 编译器的情况下），则需要显式命令行标志。