高性能位删除（XOR 与减法）答案

【问题标题】：High Performance Bit Removal (XOR vs. subtract)高性能位删除（XOR 与减法）
【发布时间】：2021-07-25 14:29:48
【问题描述】：

据我了解，XOR 会影响分支预测。

对于将运行很多次的操作，最好通过减法还是通过异或来删除位？

// For an operation that will run several million times ...
int encoding = 180391281; // could be anything but we'll pick a number ...
#define REMOVE_BITS (128+64)

int bits_to_remove = encoding & REMOVE_BITS;
int encoding_with_bits_removed_xor_method      = encoding ^ /*XOR*/ bits_to_remove; // BEST?
int encoding_with_bits_removed_subtract_method = encoding - /*SUB*/ bits_to_remove; // BEST?

【问题讨论】：

性能上不太可能有任何差异。这两个操作都映射到对 cpu 寄存器的简单操作
启用优化的构建，并比较生成的汇编代码。
但是异或和减法不是取消设置位的正确方法。使用否定掩码应用 ANDing。
作为一些关于手动优化代码的一般提示：像这样的微优化几乎不值得。并且总是进行基准测试和测量，以找出程序中最重要的两个瓶颈，然后只将精力集中在这些部分上。最后，手动优化代码通常会使代码变得非常复杂，难以阅读、理解和维护，因此请始终包含大量关于代码的文档和 cmets，以及它为什么这样做。
@B.Nadolson "我的理解是 XOR 会影响分支预测。" 引用？

标签： c xor micro-optimization branch-prediction

【解决方案1】：

如果您深入研究数字电子电路；对于按位布尔运算（AND、OR、XOR、XNOR），每个位都可以并行完成，而对于加法/减法，它们不能是（最低位对的进位/借位会影响下一个最高位对的结果位，其中...）。

但是； CPU 很复杂，为了使所有部分保持同步，通常情况下（不包括极少见的异步/无时钟设计，如 GreenArrays 的芯片）都会四舍五入到最接近的时钟周期；因此，可以在 0.5 个周期内完成的 XOR 将花费 1 个完整周期，而可以在 0.9 个周期内完成的 SUB 将花费相同的 1 个完整周期。

换句话说；一般来说，XOR（或 AND）和 SUB 之间的性能差异极不可能（但我仍然更喜欢 XOR 或 AND，因为它“在理论上对 CPU 来说更简单”并且可能会稍微降低功耗）。

一个更重要的考虑因素（特别是对于高级语言，其中有一个应该为您进行微优化的编译器）是源代码的可读性。对于位删除，AND 是常见的做法，而 SUB 是不常见的（更容易让读者感到困惑）。如果 XOR 可以帮助您避免 NOT（例如 a = b ^ c 并不比 a = b & (~c) 更难理解），那么 XOR 是合理的；但是您可以颠倒术语（例如，将“要删除的位”替换为“位掩码”）并在没有 NOT 的情况下以 a = b & c 结尾，如果您可以这样做，它可能会提高可读性。

【讨论】：

对于删除你已经知道设置为某个值的位，- 有优势：编译器可以使用lea reg, [reg - (128+64)] 复制和减去一个常量，如果它想保留原来的周围只是以不同的寄存器中的结果结束。此外，如果您想在结果为 0 或其他内容上进行分支，sub/jnz 可以 macro-fuse 进入 Intel 上的单个子分支 uop。（但与 XOR 不同，AND 也可以）。 Fusion 是我对查询者可能与“分支预测”混淆的唯一猜测。