使用Microsoft编译器生成 CMOV 指令

Generating CMOV instructions using Microsoft compilers

本文关键字：CMOV 指令 Microsoft 编译器 使用      更新时间：2023-10-16

为了在运行Windows 7 Pro的英特尔酷睿2上勉强完成一些cmov指令，我编写了下面的代码。它所做的只是从控制台获取一个字符串作为输入，应用一些移位操作来生成一个随机种子，然后将该种子传递给 srand，以生成一小数组伪随机数。然后评估伪随机数是否满足谓词函数(更任意的位洗牌)，并输出"*"或"_"。实验的目的是生成 cmov 指令，但正如您在下面的反汇编中看到的那样，没有。

关于如何更改代码或 cflags 以便生成它们的任何提示？

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string>
#include <cstdlib>
bool blackBoxPredicate( const unsigned int& ubref ) {
return ((ubref << 6) ^ (ubref >> 2) ^ (~ubref << 2)) % 15 == 0;
}
int main() {
const unsigned int NUM_RINTS = 32;
unsigned int randomSeed = 1;
unsigned int popCount = 0;
unsigned int * rintArray = new unsigned int[NUM_RINTS];
std::string userString;
std::cout << "input a string to use as a random seed: ";
std::cin >> userString;
std::for_each( 
userString.begin(), 
userString.end(), 
[&randomSeed] (char c) {
randomSeed = (randomSeed * c) ^ (randomSeed << (c % 7));
});
std::cout << "seed computed: " << randomSeed << std::endl;
srand(randomSeed);
for( int i = 0; i < NUM_RINTS; ++i ) {
rintArray[i] = static_cast<unsigned int> (rand());
bool pr = blackBoxPredicate(rintArray[i]);
popCount = (pr) ? (popCount+1) : (popCount);
std::cout << ((pr) ? ('*') : ('_')) << " ";
}
std::cout << std::endl;
delete rintArray;
return 0;
}

并使用此生成文件来构建它：

OUT=cmov_test.exe
ASM_OUT=cmov_test.asm
OBJ_OUT=cmov_test.obj
SRC=cmov_test.cpp
THIS=makefile
CXXFLAGS=/nologo /EHsc /arch:SSE2 /Ox /W3
$(OUT): $(SRC) $(THIS)
cl $(SRC) $(CXXFLAGS) /FAscu /Fo$(OBJ_OUT) /Fa$(ASM_OUT) /Fe$(OUT)
clean:
erase $(OUT) $(ASM_OUT) $(OBJ_OUT)

然而，当我去查看是否生成了任何程序集时，我看到 Microsoft 的编译器为最后一个 for 循环生成了以下程序集：

; 34   :       popCount = (pr) ? (popCount+1) : (popCount);
; 35   :       
; 36   :       std::cout << ((pr) ? ('*') : ('_')) << " ";
00145 68 00 00 00 00   push    OFFSET $SG30347
0014a 85 d2        test    edx, edx
0014c 0f 94 c0     sete    al
0014f f6 d8        neg     al
00151 1a c0        sbb     al, al
00153 24 cb        and     al, -53            ; ffffffcbH
00155 04 5f        add     al, 95         ; 0000005fH
00157 0f b6 d0     movzx   edx, al
0015a 52       push    edx
0015b 68 00 00 00 00   push    OFFSET ?cout@std@@3V?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@1@A ; std::cout
00160 e8 00 00 00 00   call    ??$?6U?$char_traits@D@std@@@std@@YAAAV?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@0@AAV10@D@Z ; std::operator<<<std::char_traits<char> >
00165 83 c4 08     add     esp, 8
00168 50       push    eax
00169 e8 00 00 00 00   call    ??$?6U?$char_traits@D@std@@@std@@YAAAV?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@0@AAV10@PBD@Z ; std::operator<<<std::char_traits<char> >
0016e 46       inc     esi
0016f 83 c4 08     add     esp, 8
00172 83 fe 20     cmp     esi, 32            ; 00000020H
00175 72 a9        jb  SHORT $LL3@main

供您参考，这是我的 cpu id 字符串和编译器版本。

PROCESSOR_ARCHITECTURE=x86
PROCESSOR_IDENTIFIER=x86 Family 6 Model 58 Stepping 9, GenuineIntel
PROCESSOR_LEVEL=6
PROCESSOR_REVISION=3a09
Microsoft (R) 32-bit C/C++ Optimizing Compiler Version 16.00.40219.01 for 80x86

让Microsoft的 32 位 C/C++ 编译器发出CMOVcc指令是非常困难的，如果不是完全不可能的话。

您必须记住的是，条件移动最初是在奔腾 Pro 处理器中引入的，虽然Microsoft有一个编译器开关可以调整为这个第 6 代处理器(早已弃用的/G6)生成的代码，但它们从未发出专门在此处理器上运行的代码。代码仍然需要在第五代处理器(即奔腾和AMD K6)上运行，因此它不能使用CMOVcc指令，因为这些指令会产生非法指令异常。与英特尔的编译器不同，全局动态调度没有(现在仍然没有)实现。

此外，值得注意的是，从未引入专门针对第 6 代处理器及更高版本的交换机。没有/arch:CMOV或任何他们可能称之为它的东西。/arch开关支持的值直接从IA32(最低公分母，CMOV可能是非法的)到SSE。但是，该文档确实确认，正如人们所期望的那样，启用 SSE 或 SSE2 代码生成隐式允许使用条件移动指令和在 SSE之前引入的任何其他内容：

除了使用 SSE 和 SSE2 指令之外

，编译器还使用支持 SSE 和 SSE2 的处理器修订版上存在的其他指令。一个例子是首次出现在英特尔处理器奔腾 Pro 修订版上的 CMOV 指令。

因此，为了有希望让编译器发出CMOV指令，您必须设置/arch:SSE或更高。当然，如今，这没什么大不了的。您可以简单地设置/arch:SSE或/arch:SSE2并且安全，因为所有现代处理器都支持这些指令集。

但这只是成功的一半。即使启用了正确的编译器开关，也很难让 MSVC 发出CMOV指令。以下是两个重要的观察结果：

  1. MSVC 10 (Visual Studio 2010) 及更早版本几乎从不生成CMOV指令。我从未在输出中看到过它们，无论我尝试了多少源代码变体。我说"虚拟"是因为可能有一些疯狂的边缘情况我错过了，但我非常怀疑。没有任何优化标志对此有任何影响。

    但是，MSVC 11(Visual Studio 2012)至少在这方面对代码生成器进行了重大改进。编译器的这个版本和更高版本现在似乎至少知道CMOVcc指令的存在，并且可以在正确的条件下发出它们(即，/arch:SSE或更高版本，并使用条件运算符，如下所述)。

  2. 我发现哄骗编译器发出CMOV指令的最有效方法是使用条件运算符而不是长格式的if-else语句。尽管就代码生成器而言，这两个构造应该是完全等效的，但它们不是。

    换句话说，虽然您可能会看到以下内容已转换为无分支CMOVLE指令：

    int value = (a < b) ? a : b;

    您将始终获得以下序列的分支代码：

    int value;
if (a < b)    value = a;
else          value = b;

    至少，即使您使用条件运算符不会导致CMOV指令(例如在 MSVC 10 或更早版本上)，您仍然可能很幸运地通过其他方式获得无分支代码 -例如，SETcc或巧妙地使用SBB和NEG/NOT/INC/DEC。这就是您在问题中显示的反汇编所使用的，虽然它不如CMOVcc最佳，但它肯定是可比的，差异不值得担心。(唯一的其他分支指令是循环的一部分。

如果你真的想要无分支代码(你在手动优化时经常这样做)，并且你没有运气让编译器生成你想要的代码，你需要更聪明地编写源代码。我很幸运地编写了使用按位或算术运算符无分支计算结果的代码。

例如，您可能希望以下函数生成最佳代码：

int Minimum(int a, int b)
{
return (a < b) ? a : b;
}

您遵循了规则 #2 并使用了条件运算符，但如果您使用的是旧版本的编译器，则无论如何都会获得分支代码。使用经典技巧智胜编译器：

int Minimum_Optimized(int a, int b)
{
return (b + ((a - b) & -(a < b)));
}

生成的目标代码不是完全最佳的(它包含一个冗余的CMP指令，因为SUB已经设置了标志)，但它是无分支的，因此仍然比最初尝试随机输入导致分支预测失败要快得多。

再举一个例子，假设您要确定 32 位应用程序中的 64 位整数是否为负数。编写以下不言而喻的代码：

bool IsNegative(int64_t value)
{
return (value < 0);
}

并且会发现自己对结果感到非常失望。GCC 和 Clang 对此进行了合理的优化，但 MSVC 吐出了一个令人讨厌的条件分支。(不可移植的)技巧是意识到符号位位于高 32 位，因此您可以使用按位操作显式隔离和测试它：

bool IsNegative_Optimized(int64_t value)
{
return (static_cast<int32_t>((value & 0xFFFFFFFF00000000ULL) >> 32) < 0);
}

此外，其中一位评论员建议使用内联程序集。虽然这是可能的(Microsoft的 32 位编译器支持内联汇编)，但它通常是一个糟糕的选择。内联程序集以相当显著的方式破坏优化器，因此除非您在内联程序集中编写大量代码，否则不太可能有实质性的净性能提升。此外，Microsoft的内联程序集语法非常有限。它在很大程度上牺牲了灵活性和简单性。特别是，无法指定输入值，因此您只能将输入从内存加载到寄存器中，并且调用方被迫将输入从寄存器溢出到内存以准备。这创造了一种现象，我喜欢称之为"一大堆洗牌'goin'on"，或者简称为"慢代码"。在可以接受慢速代码的情况下，不要下降到内联程序集。因此，最好(至少在 MSVC 上)弄清楚如何编写 C/C++ 源代码来说服编译器发出您想要的目标代码。即使您只能接近理想的输出，这仍然比您使用内联装配所付出的代价要好得多。

请注意，如果以 x86-64 为目标，则不需要这些扭曲。Microsoft的 64 位 C/C++ 编译器在尽可能使用CMOVcc指令方面明显更加积极，即使是旧版本也是如此。正如这篇博客文章所解释的，与 Visual Studio 2010 捆绑在一起的 x64 编译器包含许多代码质量改进，包括更好地识别和使用CMOV指令。

此处不需要特殊的编译器标志或其他注意事项，因为支持 64 位模式的所有处理器都支持条件移动。我想这就是为什么他们能够为 64 位编译器提供正确的原因。我还怀疑在VS 2010中对x86-64编译器所做的一些更改被移植到VS 2012中的x86-32编译器，这解释了为什么它至少知道CMOV的存在，但它仍然没有像64位编译器那样积极地使用它。

底线是，当面向 x86-64 时，以最有意义的方式编写代码。优化器实际上知道如何完成它的工作！

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