在 SSE 数据类型 (__m128i) 中设置单个位的快速方法？答案

【问题标题】：Fast way to set single bit in SSE datatypes (__m128i)?在 SSE 数据类型 (__m128i) 中设置单个位的快速方法？
【发布时间】：2014-03-20 12:42:30
【问题描述】：

我用 __m128i 表示一个位域，需要一种快速的方法来检查是否设置了特定位，以及设置特定位的方法。我是否必须将另一个 __m128i 设置为掩码并对其进行 OR，或者是否有一条我丢失的指令更快？我正在使用英特尔编译器。

【问题讨论】：

stackoverflow.com/questions/47981/…
@TimCastelijns __m128 不是标准 C++ 类型。无论如何，您提出的解决方案是不是太慢了？
@BartekBanachewicz 这不是太慢，但据我所知，我想知道是否有更快的方法
__m128i 上的文档声明您从不应该直接访问此类型。我没有进一步调查，但我认为这意味着 MS 提供了合适的功能来测试或访问这些数据。抱歉，我知道的用处不大……
@user1201584，如果你至少有 SSE4.1，你可以用两个内在函数来测试一下：_mm_testz_si128 和 _mm_and_si128。

标签： c++ bit-manipulation intel sse

【解决方案1】：

你可以试试这样的。我不相信有更快的方法。您可能希望从代码的性能关键部分中提取一些常量值和表格。

  __m128i v; // todo: set v to something here

  // to check
  int n; // todo: set n to the zero-indexed bit to check

  __m128i chkmask  = _mm_slli_epi16(_mm_set1_epi16(1), n & 0xF);
  int     movemask = (1 << (n >> 3));
  int     isSet  = (_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(_mm_and_si128(chkmask, v), _mm_setzero_si128())) & movemask) ^ movemask;

  // to set
  int m; // todo: set m to the zero-indexed bit to set

  __m128i shuf    = _mm_set_epi8(15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0);
          shuf    = _mm_add_epi8(shuf, _mm_set1_epi8(16 - (m >> 3)));
          shuf    = _mm_and_si128(shuf, _mm_set1_epi8(0x0F));
  __m128i setmask = _mm_shuffle_epi8(_mm_cvtsi32_si128(1 << (m & 0x7)), shuf);
  v = _mm_or_si128(v, setmask);

  // or to try the look-up table approach to check and set
  __declspec(align(16)) __m128i lut[] = {
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000001),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000002),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000004),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000008),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000010),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000020),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000040),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000080),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000100),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000200),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000400),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000800),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00001000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00002000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00004000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00008000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00010000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00020000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00040000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00080000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00100000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00200000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00400000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00800000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x01000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x02000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x04000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x08000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x10000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x20000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x40000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x80000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000001, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000002, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000004, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000008, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000010, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000020, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000040, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000080, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000100, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000200, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000400, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00000800, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00001000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00002000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00004000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00008000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00010000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00020000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00040000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00080000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00100000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00200000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00400000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x00800000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x01000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x02000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x04000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x08000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x10000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x20000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x40000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000000, 0x80000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000001, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000002, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000004, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000008, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000010, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000020, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000040, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000080, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000100, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000200, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000400, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00000800, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00001000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00002000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00004000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00008000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00010000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00020000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00040000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00080000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00100000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00200000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00400000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x00800000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x01000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x02000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x04000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x08000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x10000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x20000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x40000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000000, 0x80000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000001, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000002, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000004, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000008, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000010, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000020, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000040, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000080, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000100, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000200, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000400, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00000800, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00001000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00002000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00004000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00008000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00010000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00020000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00040000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00080000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00100000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00200000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00400000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x00800000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x01000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x02000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x04000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x08000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x10000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x20000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x40000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000),
    _mm_set_epi32(0x80000000, 0x00000000, 0x00000000, 0x00000000)
  };

   // to check with look-up table
   movemask = (1 << (n >> 3));
   isSet    = (_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(_mm_and_si128(v, _mm_load_si128(lut + m)), _mm_setzero_si128())) & movemask) ^ movemask;

   // to set with look-up table
   v = _mm_or_si128(v, _mm_load_si128(lut + m));

【讨论】：

这是最好的答案，因为我也找不到更好的答案。指令太多了，所以我回头看看只使用两个 64 位 int 作为位域
@user1201584 您也可以尝试使用包含 128 个 16 字节值的查找表。但是当然，您必须为此（在缓存中）触摸内存。很难说没有测试会有多快。如果性能很重要，您可能需要测试不同的解决方案。我已经看到像这样臃肿的 SSE 代码优于更简单的 64 位版本，如果您认为增加的逻辑复杂性不值得额外的寄存器宽度。
打算对此进行分析，但 _mm_slli_si128(a,b) --> b 必须是立即值。有什么解决办法吗？
@user1201584 啊，抱歉忘记了。这就是我的互联网机器上没有 VS 的结果。你想坚持SSE2吗？或者SSSE3和SSE4都可以吗？
一切

【解决方案2】：

我想出的一个变体在这里值得一试。如果掩码和一个电阻器可以预先计算，那么这只需要三个内在函数。

对于设置单个位，我认为没有有效的方法。这是关于从 movemask 回到 SSE 寄存器的讨论How to perform the inverse of _mm256_movemask_epi8 (VPMOVMSKB)?

#include <emmintrin.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    __m128i x = _mm_setr_epi32(0,0,0,1);
    __m128i mask = _mm_setr_epi32(0,0,0,1);
    __m128i one = _mm_set1_epi8(1);
    int isSet = 0xffff != _mm_movemask_epi8(_mm_sub_epi8(_mm_and_si128(x,mask),one));
    printf("%X\n", isSet);  
}

编辑实际上有一种更快的方法可以使用_mm_testz_si128 对 SSE4.1 进行检查。

#include <smmintrin.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    __m128i x = _mm_setr_epi32(0,0,0,1);
    __m128i mask = _mm_setr_epi32(0,0,0,1);

    __m128i t = _mm_and_si128(x,mask);
    int isSet = !_mm_testz_si128(t,t);

    printf("%d\n", isSet);  
}

【讨论】：

【解决方案3】：

instructions 没有用于设置 __m128i 中的各个位。

您可以尝试使用通用BTS 指令，但它可能会比制作掩码慢，因为它只能写入内存（或写入 32 位寄存器，这没有帮助）。

【讨论】：