淺談vectorsize對程序性能的影響

一、vectorsize是什麼？

vectorsize是指向量寄存器的大小，是CPU為了加速浮點數運算等SIMD指令設計的存儲單元大小。它的大小通常為128位、256位或512位。

在x86指令集中，SSE指令集使用128位的XMM寄存器，AVX指令集使用256位的YMM寄存器，AVX-512指令集使用512位的ZMM寄存器。

二、vectorsize影響的方面

1、計算速度

對於能夠使用向量指令的程序，vectorsize的大小會直接影響指令的並行度和運算速度。通常來說，vectorsize越大，意味着能夠一次性處理更多的數據，進而提高運算速度。舉個例子，假設我們要對兩個向量進行加法操作：

   int A[4] = {1,2,3,4};
   int B[4] = {5,6,7,8};
   int C[4];

   for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        C[i] = A[i] + B[i];
   }

通過循環遍歷，依次對數組中的每個元素進行加法運算。但是如果使用SSE指令集，可以一次性對4個元素進行加法運算：

   __m128i vA = _mm_set_epi32(4,3,2,1);
   __m128i vB = _mm_set_epi32(8,7,6,5);
   __m128i vC = _mm_add_epi32(vA, vB);
   int C[4];
   _mm_store_si128((__m128i*)C, vC);

這裡使用了_mm_set_epi32、_mm_add_epi32、_mm_store_si128等SSE指令，可以將4個元素直接進行加法運算。這樣就可以大大提高運算速度。

2、內存訪問

vectorsize的大小還會影響到內存訪問的方式。對於vectorsize為X的CPU，如果訪問內存中一段長度為N*X位元組的數據，可以採用一次性讀取X個數據然後並行處理的方式，這樣可以減少內存訪問的次數，從而提高訪問速度。

3、代碼長度

使用向量指令還可以減少代碼長度。與使用循環對每個元素進行處理相比，使用向量指令可以一次性對多個元素進行操作，減少循環的次數，從而減少了代碼的長度。

三、常用的向量指令

1、SSE指令集

SSE指令集的寄存器為128位，可以同時處理4個單精度浮點數或整型數據。常用的指令有：_mm_set_ps、_mm_add_ps、_mm_sub_ps、_mm_mul_ps、_mm_div_ps等。

   __m128 a = _mm_set_ps(4.0f, 3.0f, 2.0f, 1.0f);
   __m128 b = _mm_set_ps(8.0f, 7.0f, 6.0f, 5.0f);
   __m128 c = _mm_add_ps(a, b);

   float f[4];
   _mm_store_ps(f, c);

2、AVX指令集

AVX指令集的寄存器為256位，可以同時處理8個單精度浮點數或整型數據。常用的指令有：_mm256_set_ps、_mm256_add_ps、_mm256_sub_ps、_mm256_mul_ps、_mm256_div_ps等。

   __m256 a = _mm256_set_ps(8.0f, 7.0f, 6.0f, 5.0f, 4.0f, 3.0f, 2.0f, 1.0f);
   __m256 b = _mm256_set_ps(16.0f, 15.0f, 14.0f, 13.0f, 12.0f, 11.0f, 10.0f, 9.0f);
   __m256 c = _mm256_add_ps(a, b);

   float f[8];
   _mm256_store_ps(f, c);

3、AVX-512指令集

AVX-512指令集的寄存器為512位，可以同時處理16個單精度浮點數或整型數據。常用的指令有：_mm512_set_ps、_mm512_add_ps、_mm512_sub_ps、_mm512_mul_ps、_mm512_div_ps等。

   __m512 a = _mm512_set_ps(16.0f, 15.0f, 14.0f, 13.0f, 12.0f, 11.0f, 10.0f, 9.0f, 8.0f, 7.0f, 6.0f, 5.0f, 4.0f, 3.0f, 2.0f, 1.0f);
   __m512 b = _mm512_set_ps(32.0f, 31.0f, 30.0f, 29.0f, 28.0f, 27.0f, 26.0f, 25.0f, 24.0f, 23.0f, 22.0f, 21.0f, 20.0f, 19.0f, 18.0f, 17.0f);
   __m512 c = _mm512_add_ps(a, b);

   float f[16];
   _mm512_store_ps(f, c);

結語

本文對vectorsize的概念進行了闡述，並討論了vectorsize對於程序性能的影響。同時，我們還介紹了常用的SSE、AVX、AVX-512指令集等，希望能夠對讀者能夠學習和使用向量指令有所幫助。