浅谈vectorsize对程序性能的影响

一、vectorsize是什么？

vectorsize是指向量寄存器的大小，是CPU为了加速浮点数运算等SIMD指令设计的存储单元大小。它的大小通常为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影响的方面

1、计算速度

对于能够使用向量指令的程序，vectorsize的大小会直接影响指令的并行度和运算速度。通常来说，vectorsize越大，意味着能够一次性处理更多的数据，进而提高运算速度。举个例子，假设我们要对两个向量进行加法操作：

   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];
   }

通过循环遍历，依次对数组中的每个元素进行加法运算。但是如果使用SSE指令集，可以一次性对4个元素进行加法运算：

   __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);

这里使用了_mm_set_epi32、_mm_add_epi32、_mm_store_si128等SSE指令，可以将4个元素直接进行加法运算。这样就可以大大提高运算速度。

2、内存访问

vectorsize的大小还会影响到内存访问的方式。对于vectorsize为X的CPU，如果访问内存中一段长度为N*X字节的数据，可以采用一次性读取X个数据然后并行处理的方式，这样可以减少内存访问的次数，从而提高访问速度。

3、代码长度

使用向量指令还可以减少代码长度。与使用循环对每个元素进行处理相比，使用向量指令可以一次性对多个元素进行操作，减少循环的次数，从而减少了代码的长度。

三、常用的向量指令

1、SSE指令集

SSE指令集的寄存器为128位，可以同时处理4个单精度浮点数或整型数据。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指令集的寄存器为256位，可以同时处理8个单精度浮点数或整型数据。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指令集的寄存器为512位，可以同时处理16个单精度浮点数或整型数据。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);

结语

本文对vectorsize的概念进行了阐述，并讨论了vectorsize对于程序性能的影响。同时，我们还介绍了常用的SSE、AVX、AVX-512指令集等，希望能够对读者能够学习和使用向量指令有所帮助。