Можно ли суммировать каждые 3 соседних элемента в массиве и сделать каждый из них равным сумме, используя векторные инструкции? - PullRequest
Новая
       71

Можно ли суммировать каждые 3 соседних элемента в массиве и сделать каждый из них равным сумме, используя векторные инструкции?

0 голосов
/ 21 января 2019

В моей программе у меня большой массив 32-битных целых чисел.Я должен выполнить следующую операцию: 

sum = array[i] + array[i+1] + array[i+2]
array[i] = sum
array[i+1] = sum
array[i+2] = sum
i+=3

Или, как я написал на ассемблере: 

loop: ;R12 - address of the array, R11 - last element, R10 - iterator

mov eax, [R12 + R10]
add eax, [R12 + R10 + 4]
add eax, [R12 + R10 + 8]

mov [R12 + R10], eax
mov [R12 + R10 + 4], eax
mov [R12 + R10 + 8], eax

mov rax, 0
mov rdx, 0

add R10, 12
cmp R10, R11
jb loop

Возможно ли это сделать с помощью векторных инструкций?Если да, то как?

Ответы [ 2 ]

0 голосов
/ 25 января 2019

Если кто-то ищет вариант AVX2, вот версия, основанная на https://stackoverflow.com/a/45025712 (которая сама основана на статье Intel ): 

#include <immintrin.h> 

template<int imm>
inline __m256i _mm256_shufps_epi32(__m256i a, __m256i b){
    return _mm256_castps_si256(_mm256_shuffle_ps(_mm256_castsi256_ps(a),_mm256_castsi256_ps(b),imm));
}

void sum3neighb24(int * a){
    __m256i a_FEDC_3210 = _mm256_insertf128_si256(_mm256_castsi128_si256(_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[0])),_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[12]),1) ;
    __m256i a_JIHG_7654 = _mm256_insertf128_si256(_mm256_castsi128_si256(_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[4])),_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[16]),1) ;
    __m256i a_NMLK_BA98 = _mm256_insertf128_si256(_mm256_castsi128_si256(_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[8])),_mm_loadu_si128((__m128i*)&a[20]),1) ;


    __m256i a_MLJI_A976 = _mm256_shufps_epi32<_MM_SHUFFLE( 2,1, 3,2)>(a_JIHG_7654,a_NMLK_BA98);
    __m256i a_HGED_5421 = _mm256_shufps_epi32<_MM_SHUFFLE( 1,0, 2,1)>(a_FEDC_3210,a_JIHG_7654);

    __m256i a_LIFC_9630 = _mm256_shufps_epi32<_MM_SHUFFLE( 2,0, 3,0)>(a_FEDC_3210,a_MLJI_A976);
    __m256i a_MJGD_A741 = _mm256_shufps_epi32<_MM_SHUFFLE( 3,1, 2,0)>(a_HGED_5421,a_MLJI_A976);
    __m256i a_NKHE_B852 = _mm256_shufps_epi32<_MM_SHUFFLE( 3,0, 3,1)>(a_HGED_5421,a_NMLK_BA98);

    __m256i sum = _mm256_add_epi32(a_LIFC_9630, a_MJGD_A741);
            sum = _mm256_add_epi32(sum, a_NKHE_B852);    /* B+A+9, 8+7+6, 5+4+3, 2+1+0 */

    __m256i sum_FEDC_3210 = _mm256_shuffle_epi32(sum, 0b01000000);
    __m256i sum_JIHG_7654 = _mm256_shuffle_epi32(sum, 0b10100101);
    __m256i sum_NMLK_BA98 = _mm256_shuffle_epi32(sum, 0b11111110);

    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[0], _mm256_castsi256_si128(sum_FEDC_3210));
    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[4], _mm256_castsi256_si128(sum_JIHG_7654));
    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[8], _mm256_castsi256_si128(sum_NMLK_BA98));
    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[12], _mm256_extractf128_si256 (sum_FEDC_3210,1));
    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[16], _mm256_extractf128_si256 (sum_JIHG_7654,1));
    _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[20], _mm256_extractf128_si256 (sum_NMLK_BA98,1));
}

Обратная перестановка основана на ответе @ wim. Возможно, в начале также было бы лучше обменять больше грузов на меньшее количество перетасовок.

0 голосов
/ 21 января 2019

Компилятор может выполнить векторизацию за вас, но векторизация с помощью встроенных функций может привести к более эффективному коду.Функция sum3neighb ниже суммирует 3 соседних элемента массива с 12 целочисленными элементами.Вместо того, чтобы использовать много тасов, он использует перекрывающиеся нагрузки для получения данных в правильном положении. 

/*  gcc -O3 -Wall -march=sandybridge -m64 neighb3.c                */
#include <stdio.h>
#include <immintrin.h>

inline __m128i _mm_shufps_epi32(__m128i a, __m128i b,int imm){
    return _mm_castps_si128(_mm_shuffle_ps(_mm_castsi128_ps(a),_mm_castsi128_ps(b),imm));
}

/* For an integer array of 12 elements, sum every 3 neighbouring elements */
void sum3neighb(int * a){
    __m128i a_3210 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[0]);
    __m128i a_9876 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[6]);
    __m128i a_9630 = _mm_shufps_epi32(a_3210, a_9876, 0b11001100);

    __m128i a_4321 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[1]);
    __m128i a_A987 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[7]);
    __m128i a_A741 = _mm_shufps_epi32(a_4321, a_A987, 0b11001100);

    __m128i a_5432 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[2]);
    __m128i a_BA98 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[8]);
    __m128i a_B852 = _mm_shufps_epi32(a_5432, a_BA98, 0b11001100);

    __m128i sum = _mm_add_epi32(a_9630, a_A741);
            sum = _mm_add_epi32(sum, a_B852);    /* B+A+9, 8+7+6, 5+4+3, 2+1+0 */

    __m128i sum_3210 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b01000000);
    __m128i sum_7654 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b10100101);
    __m128i sum_BA98 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b11111110);

            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[0], sum_3210);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[4], sum_7654);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[8], sum_BA98);
}


int main(){
    int i;
    int a[24];  
    for (i = 0; i < 24; i++) a[i] = i + 4;  /* example input */
    for (i = 0; i < 24; i++){ printf("%3i  ",a[i]);}
    printf("\n");
    for (i = 0; i < 24; i = i + 12){
       sum3neighb(&a[i]);
    }
    for (i = 0; i < 24; i++){ printf("%3i  ",a[i]);}
    printf("\n");
    return 0;
}

Компилируется в следующую сборку (с gcc 8.2) : 

sum3neighb:
  vmovups xmm4, XMMWORD PTR [rdi+4]
  vshufps xmm2, xmm4, XMMWORD PTR [rdi+28], 204
  vmovups xmm3, XMMWORD PTR [rdi]
  vshufps xmm0, xmm3, XMMWORD PTR [rdi+24], 204
  vpaddd xmm0, xmm0, xmm2
  vmovups xmm5, XMMWORD PTR [rdi+8]
  vshufps xmm1, xmm5, XMMWORD PTR [rdi+32], 204
  vpaddd xmm0, xmm0, xmm1
  vpshufd xmm2, xmm0, 64
  vpshufd xmm1, xmm0, 165
  vmovups XMMWORD PTR [rdi], xmm2
  vpshufd xmm0, xmm0, 254
  vmovups XMMWORD PTR [rdi+16], xmm1
  vmovups XMMWORD PTR [rdi+32], xmm0
  ret

Вывод примера программы выглядит следующим образом: (первая строка является входной, вторая строка выводится, строки усекаются.) 

 4    5    6    7    8    9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   
15   15   15   24   24   24   33   33   33   42   42   42   51   51   51   60   ...

clang не принимает функцию _mm_shufps_epi32, см. Комментарий Питера.Есть две альтернативы: функция шаблона (см. Комментарий chtz, ссылка Godbolt ) 

template<int imm>
inline  __m128i _mm_shufps_epi32(__m128i a, __m128i b){
    return _mm_castps_si128(_mm_shuffle_ps(_mm_castsi128_ps(a),_mm_castsi128_ps(b),imm));
}

или макрос : 

#define _mm_shufps_epi32(a,b,i) _mm_castps_si128(_mm_shuffle_ps(_mm_castsi128_ps(a),_mm_castsi128_ps(b),i))

На более новых архитектурах Intel (начиная с Haswell) инструкции добавления целочисленных векторов выполняются быстрее, чем инструкции перемешивания, см. Таблицы команд Agner Fog .В этом случае следующий код может быть немного более эффективным.Требуется на 2 добавления больше, но также на 2 шаффла меньше: 

void sum3neighb_v3(int * a){
    __m128i a_3210 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[0]);
    __m128i a_4321 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[1]);
    __m128i a_5432 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[2]);
    __m128i sum53_20 = _mm_add_epi32(a_3210, a_5432);
    __m128i sum543_210 = _mm_add_epi32(sum53_20, a_4321);

    __m128i a_9876 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[6]);
    __m128i a_A987 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[7]);
    __m128i a_BA98 = _mm_loadu_si128((__m128i*)&a[8]);
    __m128i sumB9_86 = _mm_add_epi32(a_9876, a_BA98);
    __m128i sumBA9_876 = _mm_add_epi32(sumB9_86, a_A987
    );        
    __m128i sum = _mm_shufps_epi32(sum543_210, sumBA9_876, 0b11001100);

    __m128i sum_3210 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b01000000);
    __m128i sum_7654 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b10100101);
    __m128i sum_BA98 = _mm_shuffle_epi32(sum, 0b11111110);

            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[0], sum_3210);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[4], sum_7654);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&a[8], sum_BA98);
}

Версия AVX2

Версия AVX2, см. Код ниже, использует перестановки переулка и поэтомуменее подходит для процессоров AMD, см. также Ответ CHTZ . 

void sum3neighb_avx2(int * a){
    __m256i a_0  = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[0]);
    __m256i a_1  = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[1]);
    __m256i a_2  = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[2]);

    __m256i a_8  = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[8]);
    __m256i a_9  = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[9]);
    __m256i a_10 = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[10]);

    __m256i a_16 = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[16]);
    __m256i a_17 = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[17]);
    __m256i a_18 = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&a[18]);

    __m256i sum_0  = _mm256_add_epi32(_mm256_add_epi32(a_0,  a_1),  a_2);
    __m256i sum_8  = _mm256_add_epi32(_mm256_add_epi32(a_8,  a_9),  a_10);
    __m256i sum_16 = _mm256_add_epi32(_mm256_add_epi32(a_16, a_17), a_18);

    __m256i sum_8_0 = _mm256_blend_epi32(sum_0,  sum_8, 0b10010010);
    __m256i sum     = _mm256_blend_epi32(sum_8_0, sum_16, 0b00100100);

    __m256i sum_7_0   = _mm256_permutevar8x32_epi32(sum, _mm256_set_epi32(6,6,3,3,3,0,0,0));
    __m256i sum_15_8  = _mm256_permutevar8x32_epi32(sum, _mm256_set_epi32(7,4,4,4,1,1,1,6));
    __m256i sum_23_16 = _mm256_permutevar8x32_epi32(sum, _mm256_set_epi32(5,5,5,2,2,2,7,7));

            _mm256_storeu_si256((__m256i*)&a[0],  sum_7_0  );
            _mm256_storeu_si256((__m256i*)&a[8],  sum_15_8 );
            _mm256_storeu_si256((__m256i*)&a[16], sum_23_16);
}
...