带有截断下溢的字符减法

Question

有没有办法计算：

/** clipped(a - b) **/
unsigned char clipped_substract(unsigned char a, unsigned char b)
{
    return a > b ? a - b : 0;
}

使用一些二进制操作而不是测试？

Answer 1

原始函数编译为条件移动，不受您的性能问题的影响。你试图在这里执行premature optimization，它对你绝对没有好处。编写可读代码，然后对其进行分析，然后识别和优化性能瓶颈。

您说“测试会降低性能”。如果你想做这样的微优化，你应该着眼于理解这些经验法则背后的原因，而不是把它们当作无条件的真理。

降低“测试”性能的是（错误预测的）控制流分支。现代 CPU 大量使用instruction pipelining，控制流分支意味着不清楚接下来是哪条指令。常见的方法是 CPU 猜测（使用分支预测硬件/算法）分支会走哪条路。如果弄错了，它必须冲洗整个管道并重新填充它，这会浪费循环。

好吧，有问题的代码没有这样的问题。它编译为有条件的移动：

https://godbolt.org/z/upkgok

clipped_substract(unsigned char, unsigned char):
    mov     eax, edi
    mov     edx, 0
    sub     eax, esi
    cmp     dil, sil
    cmovbe  eax, edx
    ret

可以看到这里没有控制流分支。请参阅Why is a conditional move not vulnerable for Branch Prediction Failure?，了解为什么不受上述性能问题的影响。

我重复一遍：编写可读代码，然后对其进行分析，然后识别和优化性能瓶颈。您在这里尝试修复一个性能问题代码，该代码甚至不存在于第一名（更不用说你没有证明这段代码的性能甚至与你的程序的性能有关）。

Answer 2

使用clang 11.0，启用编译器优化

unsigned char clipped_substract(unsigned char a, unsigned char b)
{   
    long c = b - a;
    return ((unsigned long)c >> (sizeof(c)*8-1)) * c;
}

尽管任何替代方案所花费的时间几乎可以忽略不计，但在执行 10000000 迭代时，其他方式在我的机器上大约需要 0.300secs 而这个解决方案大约需要 0.200secs。

但这仅在您使用大小大于char 的类型时才有效，例如这里我采用了long。我不记得char 或long 的确切定义，但我知道long 在我的机器上比char 更宽。所以相应地调整它。

基本上，我只是将减法的结果存储在一个更大的宽度变量中。如果结果是否定的，最高有效位将为1，否则为0。

Answer 3

/** clipped(a - b) **/
unsigned char clipped_substract(unsigned char a, unsigned char b)
{
    return a - (a+b) / 2 + getAbs(a-b) / 2;
}

unsigned int getAbs(int n)
{
    int const mask = n >> (sizeof(int) * 8 - 1);

    return ((n + mask) ^ mask);
}