这样一个复杂的函数来测试变量是否不为零有什么好处？

Question

我正在撰写关于为后量子安全签名编写的代码的硕士论文（计算机科学）。整个事情都可以在这里找到，但在这里并不重要。在我的论文中，我试图解释一个“简单”的函数，它根本不是那么简单。

该函数测试，如果一个变量在伽罗瓦域GF(16) 中是非零的。（这里的GF(16)可以理解为4位无符号整数）。该函数如下所示：

static inline uint8_t gf16_is_nonzero(uint8_t a) {
    unsigned a4 = a & 0xf; // mask lowest 4 bits of a
    unsigned r = 0u - a4;  // set 4 high bits if a is nonzero
    r >>= 4;               // right-shift high bits into low bits
    return r & 1;          // return lowest bit
}

我明白它是如何工作的，但我不明白为什么这个功能需要这么复杂。这有什么好的理由吗？很好的理由可能是性能或安全性（例如针对定时攻击的安全性）的好处。因为如果没有这样的好处，那么以简单的方式编写该函数不是更聪明，例如：

static inline uint8_t gf16_is_nonzero(uint8_t a) {
    return (a & 15) != 0;
}

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这段代码不是我写的，而是由加密研究人员编写的，他们试图让 NIST 标准化他们的 PQ 算法。

TonyDelroy 在评论中为第二个代码片段建议了一种更简单的方法。

Answer 1

这段代码的原因是因为它是无分支的。

测试条件往往是一项昂贵的操作，而加法、减法和按位运算符则不然。

然而，这是过早的优化。使用-O3，第一个函数编译为：

andl    $15, %edi
negl    %edi
shrl    $31, %edi
movl    %edi, %eax
ret

虽然第二个函数编译为：

andl    $15, %edi
setne   %al
ret

这个故事的寓意是：编写清楚地说明您的意图的代码，让编译器解决其余的问题。