成功启用 -fno-finite-math-only on NaN 删除方法
Successfully enabling -fno-finite-math-only on NaN removal method
在发现一个错误时，当运行我的代码的优化版本（在 g++ 4.8.2 和 4.9.3 中编译）时，一切都变成了 NaN 秒，我发现问题是-Ofast选项，特别是它包含的-ffinite-math-only标志。
代码的一部分涉及使用 fscanf 从FILE*读取浮点数，然后用数值替换所有NaN。然而，正如预期的那样，-ffinite-math-only启动并删除了这些检查，从而留下了NaN。
在尝试解决此问题时，我偶然发现了这一点，建议添加-fno-finite-math-only作为方法属性以禁用对特定方法的优化。下面说明了问题和尝试的修复（实际上并没有修复它）：
#include <cstdio>
#include <cmath>
__attribute__((optimize("-fno-finite-math-only")))
void replaceNaN(float * arr, int size, float newValue){
for(int i = 0; i < size; i++) if (std::isnan(arr[i])) arr[i] = newValue;
}
int main(void){
const size_t cnt = 10;
float val[cnt];
for(int i = 0; i < cnt; i++) scanf("%f", val + i);
replaceNaN(val, cnt, -1.0f);
for(int i = 0; i < cnt; i++) printf("%f ", val[i]);
return 0;
}
如果使用echo 1 2 3 4 5 6 7 8 nan 10 | (g++ -ffinite-math-only test.cpp -o test && ./test)编译/运行，代码不会按预期运行，具体来说，它输出一个nan（应该被-1.0f替换）——如果省略-ffinite-math-only标志，它的行为很好。这不应该行吗？我是否缺少 gcc 中属性的语法，或者这是上述"与此相关的某些版本的 GCC 存在一些麻烦"之一（来自链接的 SO 问题）
我知道的一些解决方案，但宁愿更干净/更便携：
- 使用
-fno-finite-math-only（我的 interrim 解决方案）编译代码：我怀疑这种优化在程序其余部分的上下文中可能非常有用; - 手动查找输入流中的字符串
"nan"，然后替换其中的值（输入读取器位于库的不相关部分，因此设计不佳，无法将此测试包含在该部分）。 - 假设一个特定的浮点架构并制作我自己的
isNaN：我可能会这样做，但它有点黑客和不可移植。 - 使用没有
-ffinite-math-only标志的单独编译的程序预过滤数据，然后将其输入主程序： 维护两个二进制文件并让它们相互通信的复杂性是不值得的。
编辑：正如接受的答案中所说，这似乎是旧版本的g++中的编译器"错误"，例如4.82和4.9.3，在较新版本（例如5.1和6.1.1）中已修复。
如果由于某种原因更新编译器不是一个相当简单的选择（例如：没有root访问权限），或者将此属性添加到单个函数仍然不能完全解决NaN检查问题，那么另一种解决方案，如果你可以确定代码将始终在IEEE754浮点环境中运行，是手动检查浮点数的位是否有NaN签名。
公认的答案建议使用位字段执行此操作，但是，编译器将元素放置在位字段中的顺序是非标准的，实际上，旧版本和新版本之间的变化 g++ ，甚至拒绝遵守旧版本中所需的位置（4.8.2和4.9.3，总是将尾数放在首位）， 无论它们在代码中出现的顺序如何。
但是，使用位操作的解决方案保证适用于所有IEEE754兼容的编译器。下面是我的这种实现，我最终用它来解决我的问题。它检查IEEE754合规性，我已经扩展了它以允许双精度，以及其他更常规的浮点位操作。
#include <limits> // IEEE754 compliance test
#include <type_traits> // enable_if
template<
typename T,
typename = typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value>::type,
typename = typename std::enable_if<std::numeric_limits<T>::is_iec559>::type,
typename u_t = typename std::conditional<std::is_same<T, float>::value, uint32_t, uint64_t>::type
>
struct IEEE754 {
enum class WIDTH : size_t {
SIGN = 1,
EXPONENT = std::is_same<T, float>::value ? 8 : 11,
MANTISSA = std::is_same<T, float>::value ? 23 : 52
};
enum class MASK : u_t {
SIGN = (u_t)1 << (sizeof(u_t) * 8 - 1),
EXPONENT = ((~(u_t)0) << (size_t)WIDTH::MANTISSA) ^ (u_t)MASK::SIGN,
MANTISSA = (~(u_t)0) >> ((size_t)WIDTH::SIGN + (size_t)WIDTH::EXPONENT)
};
union {
T f;
u_t u;
};
IEEE754(T f) : f(f) {}
inline u_t sign() const { return u & (u_t)MASK::SIGN >> ((size_t)WIDTH::EXPONENT + (size_t)WIDTH::MANTISSA); }
inline u_t exponent() const { return u & (u_t)MASK::EXPONENT >> (size_t)WIDTH::MANTISSA; }
inline u_t mantissa() const { return u & (u_t)MASK::MANTISSA; }
inline bool isNan() const {
return (mantissa() != 0) && ((u & ((u_t)MASK::EXPONENT)) == (u_t)MASK::EXPONENT);
}
};
template<typename T>
inline IEEE754<T> toIEEE754(T val) { return IEEE754<T>(val); }
replaceNaN函数现在变为：
void replaceNaN(float * arr, int size, float newValue){
for(int i = 0; i < size; i++)
if (toIEEE754(arr[i]).isNan()) arr[i] = newValue;
}
检查这些函数的程序集会发现，正如预期的那样，所有掩码都成为编译时常量，从而产生以下（看似）有效的代码：
# In loop of replaceNaN
movl (%rcx), %eax # eax = arr[i]
testl $8388607, %eax # Check if mantissa is empty
je .L3 # If it is, it's not a nan (it's inf), continue loop
andl $2139095040, %eax # Mask leaves only exponent
cmpl $2139095040, %eax # Test if exponent is all 1s
jne .L3 # If it isn't, it's not a nan, so continue loop
无移位）少一条指令，并且使用相同数量的寄存器（尽管很容易说仅此一项就使其更有效率，但还有其他问题，例如流水线，可能会使一种解决方案比另一种解决方案更有效或更低）。
一个编译器错误。在 GCC 4.9.2 之前，该属性将被完全忽略。GCC 5.1 及更高版本要注意它。也许是时候升级您的编译器了？
__attribute__((optimize("-fno-finite-math-only")))
void replaceNaN(float * arr, int size, float newValue){
for(int i = 0; i < size; i++) if (std::isnan(arr[i])) arr[i] = newValue;
}
在GCC 4.9.2上使用-ffinite-math-only编译：
replaceNaN(float*, int, float):
rep ret
但是在GCC 5.1上使用完全相同的设置：
replaceNaN(float*, int, float):
test esi, esi
jle .L26
sub rsp, 8
call std::isnan(float) [clone .isra.0]
test al, al
je .L2
mov rax, rdi
and eax, 15
shr rax, 2
neg rax
and eax, 3
cmp eax, esi
cmova eax, esi
cmp esi, 6
jg .L28
mov eax, esi
.L5:
cmp eax, 1
movss DWORD PTR [rdi], xmm0
je .L16
cmp eax, 2
movss DWORD PTR [rdi+4], xmm0
je .L17
cmp eax, 3
movss DWORD PTR [rdi+8], xmm0
je .L18
cmp eax, 4
movss DWORD PTR [rdi+12], xmm0
je .L19
cmp eax, 5
movss DWORD PTR [rdi+16], xmm0
je .L20
movss DWORD PTR [rdi+20], xmm0
mov edx, 6
.L7:
cmp esi, eax
je .L2
.L6:
mov r9d, esi
lea r8d, [rsi-1]
mov r11d, eax
sub r9d, eax
lea ecx, [r9-4]
sub r8d, eax
shr ecx, 2
add ecx, 1
cmp r8d, 2
lea r10d, [0+rcx*4]
jbe .L9
movaps xmm1, xmm0
lea r8, [rdi+r11*4]
xor eax, eax
shufps xmm1, xmm1, 0
.L11:
add eax, 1
add r8, 16
movaps XMMWORD PTR [r8-16], xmm1
cmp ecx, eax
ja .L11
add edx, r10d
cmp r9d, r10d
je .L2
.L9:
movsx rax, edx
movss DWORD PTR [rdi+rax*4], xmm0
lea eax, [rdx+1]
cmp eax, esi
jge .L2
add edx, 2
cdqe
cmp esi, edx
movss DWORD PTR [rdi+rax*4], xmm0
jle .L2
movsx rdx, edx
movss DWORD PTR [rdi+rdx*4], xmm0
.L2:
add rsp, 8
.L26:
rep ret
.L28:
test eax, eax
jne .L5
xor edx, edx
jmp .L6
.L20:
mov edx, 5
jmp .L7
.L19:
mov edx, 4
jmp .L7
.L18:
mov edx, 3
jmp .L7
.L17:
mov edx, 2
jmp .L7
.L16:
mov edx, 1
jmp .L7
GCC 6.1 上的输出类似，尽管不完全相同。
将属性替换为
#pragma GCC push_options
#pragma GCC optimize ("-fno-finite-math-only")
void replaceNaN(float * arr, int size, float newValue){
for(int i = 0; i < size; i++) if (std::isnan(arr[i])) arr[i] = newValue;
}
#pragma GCC pop_options
绝对没有区别，所以这不仅仅是忽略属性的问题。这些旧版本的编译器显然不支持在函数级粒度上控制浮点优化行为。
但是请注意，在 GCC 5.1 及更高版本上生成的代码仍然比在没有 -ffinite-math-only 开关的情况下编译函数要差得多：
replaceNaN(float*, int, float):
test esi, esi
jle .L1
lea eax, [rsi-1]
lea rax, [rdi+4+rax*4]
.L5:
movss xmm1, DWORD PTR [rdi]
ucomiss xmm1, xmm1
jnp .L6
movss DWORD PTR [rdi], xmm0
.L6:
add rdi, 4
cmp rdi, rax
jne .L5
rep ret
.L1:
rep ret
我不知道为什么会有这样的差异。有些东西严重地使编译器脱离了游戏;这比完全禁用优化时获得的代码还要糟糕。如果我不得不猜测，我会推测这是std::isnan的实现。如果这种replaceNaN方法不是对速度至关重要的，那么它可能无关紧要。如果需要重复分析文件中的值，则可能希望有一个相当有效的实现。
就个人而言，我会编写自己的非可移植std::isnan实现。IEEE 754格式都有很好的文档记录，假设你彻底测试和注释代码，我看不出这有什么害处，除非你绝对需要代码可以移植到所有不同的架构。它会把纯粹主义者推上墙，但使用非标准选项（如 -ffinite-math-only）也是如此。对于单精度浮点数，如下所示：
bool my_isnan(float value)
{
union IEEE754_Single
{
float f;
struct
{
#if BIG_ENDIAN
uint32_t sign : 1;
uint32_t exponent : 8;
uint32_t mantissa : 23;
#else
uint32_t mantissa : 23;
uint32_t exponent : 8;
uint32_t sign : 1;
#endif
} bits;
} u = { value };
// In the IEEE 754 representation, a float is NaN when
// the mantissa is non-zero, and the exponent is all ones
// (2^8 - 1 == 255).
return (u.bits.mantissa != 0) && (u.bits.exponent == 255);
}
现在，不需要注释，只需使用 my_isnan 而不是 std::isnan .在启用 -ffinite-math-only 的情况下进行编译时，将生成以下目标代码：
replaceNaN(float*, int, float):
test esi, esi
jle .L6
lea eax, [rsi-1]
lea rdx, [rdi+4+rax*4]
.L13:
mov eax, DWORD PTR [rdi] ; get original floating-point value
test eax, 8388607 ; test if mantissa != 0
je .L9
shr eax, 16 ; test if exponent has all bits set
and ax, 32640
cmp ax, 32640
jne .L9
movss DWORD PTR [rdi], xmm0 ; set newValue if original was NaN
.L9:
add rdi, 4
cmp rdx, rdi
jne .L13
rep ret
.L6:
rep ret
NaN 检查比简单的ucomiss稍微复杂一些，然后测试奇偶校验标志，但只要编译器遵守 IEEE 754 标准，就可以保证正确。这适用于所有版本的 GCC 和任何其他编译器。
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