如何强制 gcc 使用所有 SSE（或 AVX）寄存器？

Question

我正在尝试使用 SSE 或新的 AVX 指令为 Windows x64 目标编写一些计算密集型代码，在 GCC 4.5.2 和 4.6.1、MinGW64（TDM GCC 构建和一些自定义构建）中进行编译。我的编译器选项是 -O3 -mavx 。 （隐含-m64）

简而言之，我想对压缩浮点数的 4 个 3D 向量执行一些冗长的计算。这需要 4x3=12 个 xmm 或 ymm 寄存器用于存储，以及 2 或 3 个寄存器用于临时结果。恕我直言，这应该恰好适合 64 位目标的 16 个可用 SSE（或 AVX）寄存器。然而，GCC 生成的代码非常不理想，存在寄存器溢出问题，仅使用寄存器 xmm0-xmm10 并将数据从堆栈移入堆栈。我的问题是：

有没有办法说服 GCC 使用所有寄存器 xmm0-xmm15？

要解决这个问题，请考虑以下 SSE 代码（仅用于说明）：

void example(vect<__m128> q1, vect<__m128> q2, vect<__m128>& a1, vect<__m128>& a2) {
    for (int i=0; i < 10; i++) {
        vect<__m128> v = q2 - q1;
        a1 += v;
//      a2 -= v;

        q2 *= _mm_set1_ps(2.);
    }
}

这里vect<__m128> 只是一个由 3 个 __m128 组成的 struct，具有标量的自然加法和乘法。当a2 -= v行被注释掉时，即我们只需要3x3寄存器来存储，因为我们忽略了a2，生成的代码确实很简单，没有任何动作，一切在寄存器xmm0-xmm10中执行。当我删除注释 a2 -= v 时，代码非常糟糕，在寄存器和堆栈之间进行了大量的改组。即使编译器可以只使用寄存器 xmm11-xmm13 或其他东西。

事实上，我还没有看到 GCC 在我的所有代码中使用任何寄存器 xmm11-xmm15 。我做错了什么？我知道它们是被调用者保存的寄存器，但是通过简化循环代码，这种开销是完全合理的。

Answer 1

两点：

• 首先，你做了很多假设。寄存器溢出在 x86 CPU 上相当便宜（由于快速 L1 缓存和寄存器阴影和其他技巧），并且仅 64 位寄存器的访问成本更高（就较大的指令而言），因此可能只是 GCC 的版本与您想要的一样快或更快。
• 其次，GCC 与任何编译器一样，尽其所能进行寄存器分配。没有“请更好地注册分配”选项，因为如果有的话，它总是会被启用。编译器并不是想刁难你。 （我记得寄存器分配是一个NP完全问题，所以编译器永远无法生成完美的解决方案。它能做的最好的就是近似）

所以，如果你想要更好的寄存器分配，你基本上有两个选择：

• 编写一个更好的寄存器分配器，并将其修补到GCC中，或者
• 绕过GCC并重写汇编中的函数，这样您就可以准确控制何时使用哪些寄存器。

Answer 2

实际上，你看到的并不是溢出，而是 gcc 对内存中的 a1 和 a2 进行操作，因为它不知道它们是否有别名。如果将最后两个参数声明为 vect<__m128>& __restrict__ GCC 可以并且将会注册分配 a1 和 a2。