std::min 的参数顺序更改浮点的编译器输出

Question

我在编译器资源管理器中摆弄，我发现传递给 std::min 的参数顺序改变了发出的程序集。

这是 Godbolt Compiler Explorer 上的示例

double std_min_xy(double x, double y) {
    return std::min(x, y);
}

double std_min_yx(double x, double y) {
    return std::min(y, x);
}

这被编译（例如，在 clang 9.0.0 上使用 -O3）：

std_min_xy(double, double):                       # @std_min_xy(double, double)
        minsd   xmm1, xmm0
        movapd  xmm0, xmm1
        ret
std_min_yx(double, double):                       # @std_min_yx(double, double)
        minsd   xmm0, xmm1
        ret

如果我将 std::min 更改为老式三元运算符，这种情况仍然存在。它也适用于我尝试过的所有现代编译器（clang、gcc、icc）。

底层指令是minsd. 阅读文档，第一个参数minsd也是答案的目的地。显然 xmm0 是我的函数应该放置其返回值的地方，所以如果 xmm0 用作第一个参数，则movapd不需要。但是如果 xmm0 是第二个参数，那么它必须movapd xmm0, xmm1将值放入 xmm0。（编者注：是的，x86-64 System V在 xmm0、xmm1 等中传递 FP 参数，并在 xmm0 中返回。）

我的问题：为什么编译器不切换参数本身的顺序，这样movapd就没有必要了？它肯定必须知道 minsd 的参数顺序不会改变答案？是否有一些我不欣赏的副作用？

Answer 1

minsd a,b对于某些特殊的 FP 值不是可交换的，也不是std::min，除非您使用-ffast-math.

minsd a,b 完全实现(a<b) ? a : b包括在严格的 IEEE-754 语义中暗示有关有符号零和 NaN 的所有内容。（即它保持源操作数，b，无序¹或等于）。作为Artyer指出，-0.0和+0.0比较相等（即-0. < 0.是假的），但它们是不同的。

std::min是根据(a<b)比较表达式 ( cppreference ) 定义的，(a<b) ? a : b作为一种可能的实现，不同于std::fmin它保证从任一操作数传播 NaN，等等。（fmin最初来自 C 数学库，而不是 C++ 模板。）

请参阅在 x86 上提供无分支 FP 最小值和最大值的指令是什么？有关 minss/minsd / maxss/maxsd 的更多详细信息（以及相应的内在函数，它们遵循相同的非交换规则，但在某些 GCC 版本中除外。）

脚注 1：请记住，这NaN<b对于 anyb和任何比较谓词都是错误的。egNaN == b是假的，所以也是NaN > b。甚至NaN == NaN是假的。当一对中的一个或多个是 NaN 时，它们是“无序”的。彼此。

使用-ffast-math（告诉编译器假设没有 NaN 以及其他假设和近似值），编译器会将任一函数优化为单个minsd. https://godbolt.org/z/a7oK91

对于 GCC，请参阅https://gcc.gnu.org/wiki/FloatingPointMath
clang 支持类似的选项，包括-ffast-math作为一个包罗万象的选项。

几乎所有人都应该启用其中的一些选项，除了奇怪的遗留代码库，例如-fno-math-errno. （有关推荐的数学优化的更多信息，请参阅此问答）。并且 gcc-fno-trapping-math是一个好主意，因为它无论如何都不能完全工作，尽管默认情况下是打开的（一些优化仍然可以更改如果未屏蔽异常将引发的 FP 异常的数量，有时甚至从 1 到 0 或 0 到非零，IIRC）。 gcc -ftrapping-math还会阻止一些即使是 100% 安全的优化。异常语义，所以很糟糕。在不使用 的代码中fenv.h，您永远不会知道其中的区别。

但是std::min只能通过假设没有 NaN 之类的选项才能将其视为可交换的，因此对于关心 NaN 究竟会发生什么的代码来说，绝对不能称为“安全”。例如，-ffinite-math-only假设没有 NaN（也没有无穷大）

clang -funsafe-math-optimizations -ffinite-math-only会做你正在寻找的优化。（不安全的数学优化意味着一堆更具体的选项，包括不关心符号零语义）。

Answer 2

考虑：std::signbit(std::min(+0.0, -0.0)) == false && std::signbit(std::min(-0.0, +0.0)) == true。

唯一的另一个区别是，如果两个参数都是（可能不同的）NaN，则应返回第二个参数。

您可以允许 gcc 使用-funsafe-math-optimizations -fno-math-errno优化（均由 启用-ffast-math）重新排序参数。unsafe-math-optimizations允许编译器不关心有符号零，finite-math-only也不关心 NaN

Answer 3

为了扩大对现有的回答是说std::min是不可交换：这是一个具体的例子是可靠的区别std_min_xy从std_min_yx。神弩：

bool distinguish1() {
    return 1 / std_min_xy(0.0, -0.0) > 0.0;
}
bool distinguish2() {
    return 1 / std_min_yx(0.0, -0.0) > 0.0;
}

distinguish1()计算为1 / 0.0 > 0.0，即INFTY > 0.0，或true。
distinguish2()计算为1 / -0.0 > 0.0，即-INFTY > 0.0，或false。
（当然，所有这些都符合 IEEE 规则。我认为 C++ 标准并没有要求编译器保留这种特定的行为。老实说，我很惊讶表达式-0.0实际上首先评估为负零！

-ffinite-math-only消除了这种区分差异的方式，并-ffinite-math-only -funsafe-math-optimizations完全消除了 codegen 中的差异。