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C++ 集中化 SIMD 使用

coder 2024-02-11 原文

我有一个图书馆和许多依赖于该图书馆的项目。我想使用 SIMD 扩展优化库中的某些过程。然而,保持便携对我来说很重要,所以对用户来说它应该是非常抽象的。 我在一开始就说过我不想使用其他一些可以解决问题的很棒的库。我实际上想了解我想要的东西是否可能以及在多大程度上是可能的。

我的第一个想法是拥有一个“vector ”包装类,SIMD 的使用对用户是透明的,并且可以使用“标量” vector 类以防目标机器上没有可用的 SIMD 扩展。 我想到了一个天真的想法,即使用预处理器根据编译库的目标从众多 vector 类中选择一个。因此,一个标量 vector 类,一个带有 SSE 的类(基本上是这样的:http://fastcpp.blogspot.de/2011/12/simple-vector3-class-with-sse-support.html)等等......都具有相同的接口(interface)。 这给了我很好的性能,但这意味着我必须为我使用的任何类型的 SIMD ISA 编译库。我宁愿在运行时动态评估处理器功能并选择可用的“最佳”实现。

所以我的第二个猜测是有一个带有抽象方法的通用“vector ”类。 “处理器评估器”函数将返回最佳实现的实例。显然,这会导致难看的代码,但指向 vector 对象的指针可以存储在类似智能指针的容器中,该容器仅委托(delegate)对 vector 对象的调用。实际上我更喜欢这种方法,因为它是抽象的,但我不确定调用虚拟方法是否真的会破坏我使用 SIMD 扩展获得的性能。

我想出的最后一个选择是对整个例程进行优化,并在运行时选择最佳例程。我不太喜欢这个想法,因为这迫使我多次实现整个功能。我宁愿这样做一次,使用我对 vector 类的想法我想做这样的事情,例如:

void Memcopy(void *dst, void *src, size_t size)
{
    vector v;
    for(int i = 0; i < size; i += v.size())
    {
        v.load(src);
        v.store(dst);
        dst += v.size();
        src += v.size();
    }
}

我在这里假设“大小”是一个正确的值,因此不会发生重叠。这个例子应该只是展示我想要的东西。例如,如果使用 SSE, vector 对象的大小方法将只返回 4,如果使用标量版本,则返回 1。 是否有一种正确的方法可以在不损失太多性能的情况下仅使用运行时信息来实现这一点?抽象对我来说比性能更重要,但由于这是性能优化,如果不能加速我的应用程序,我不会包括它。

我也在网上找到了这个:http://compeng.uni-frankfurt.de/?vc 它是开源的,但我不明白如何选择正确的 vector 类。

最佳答案

如果所有内容都在编译 时内联,您的想法只会编译为高效代码,这与运行时 CPU 调度不兼容。要使 v.load()、v.store() 和 v.size() 在运行时根据 CPU 实际上不同,它们必须是实际的函数调用,而不是单个指令。开销将是致命的。


如果您的库具有足够大的函数,无需内联即可运行,那么函数指针非常适合基于运行时 CPU 检测进行调度。 (例如制作 memcpy 的多个版本,并在每次调用时支付运行时检测的开销,而不是每次循环迭代支付两次。)

不应该在您的库的外部 API/ABI 中可见,除非您的函数大部分都很短以至于额外(直接)调用/ret 的开销很重要。在你的库函数的实现中,将你想要制作 CPU 特定版本的每个子任务放入一个辅助函数中。通过函数指针调用这些辅助函数。


首先将您的函数指针初始化为适用于您的基线目标的版本。例如用于 x86-64 的 SSE2、标量或用于传统 32 位 x86 的 SSE2(取决于您是否关心 Athlon XP 和 Pentium III),以及可能用于非 x86 架构的标量。在构造函数或库初始化函数中,执行 CPUID 并将函数指针更新为主机 CPU 的最佳版本。即使您的绝对基线是标量,您也可以使您的“良好性能”基线类似于 SSSE3,并且不会在仅 SSE2 的例程上花费太多/任何时间。即使您主要针对 SSSE3,您的一些例程可能最终只需要 SSE2,因此您最好将它们标记为这样,并让调度程序在仅执行 SSE2 的 CPU 上使用它们。

更新函数指针甚至不需要任何锁定。在您的构造函数完成设置函数指针之前从其他线程发生的任何调用都可能获得基线版本,但这很好。存储指向对齐地址的指针在 x86 上是原子的。如果在您拥有需要运行时 CPU 检测的例程版本的任何平台上它不是原子的,请使用 C++ std:atomic(具有内存顺序宽松的存储和加载,而不是默认的顺序一致性,它会在每个加载)。通过函数指针调用时开销最小非常重要,并且不同线程看到函数指针更改的顺序无关紧要。它们是一次性写入的。


x264(高度优化的开源 h.264 视频编码器)广泛使用此技术,并带有函数指针数组。参见 x264_mc_init_mmx() , 例如。 (该函数处理运动补偿函数的所有 CPU 调度,从 MMX 到 AVX2)。我假设 libx264 在“编码器初始化”函数中进行 CPU 调度。如果您没有库的用户需要调用的函数,那么您应该研究某种机制,以便在使用您的库的程序启动时运行全局构造函数/初始化函数。


如果您希望它与非常 C++ 的代码(C++ 风格?这是一个词吗?)即模板化类和函数一起工作,使用该库的程序可能会进行 CPU 调度,并安排获取已编译函数的基线和多个 CPU 要求版本。

关于C++ 集中化 SIMD 使用,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/32894092/

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