c++ - 在 Clang 下解决缺少 Yz 机器约束的问题？

Question

如果未定义 __SHA__，我们将使用内联汇编使 SHA 指令可用。在 GCC 下，我们使用:

GCC_INLINE __m128i GCC_INLINE_ATTRIB
MM_SHA256RNDS2_EPU32(__m128i a, const __m128i b, const __m128i c)
{
    asm ("sha256rnds2 %2, %1, %0" : "+x"(a) : "xm"(b), "Yz" (c));
    return a;
}

Clang 不使用 GCC 的 Yz constraint (参见 Clang 3.2 Issue 13199 和 Clang 3.9 Issue 32727 )，这是 sha256rnds2 指令所必需的:

Yz

    First SSE register (%xmm0).

我们为 Clang 添加了一个 mov:

asm ("mov %2, %%xmm0; sha256rnds2 %%xmm0, %1, %0" : "+x"(a) : "xm"(b), "x" (c) : "xmm0");

性能每字节下降约 3 个周期。在我的 2.2 GHz Celeron J3455 测试机(带有 SHA 扩展的 Goldmont)上，这大约是 230 MiB/s。这很重要。

查看反汇编，当执行两轮时，Clang 并未围绕 SHA 的 k 进行优化:

Breakpoint 2, SHA256_SSE_SHA_HashBlocks (state=0xaaa3a0,
    data=0xaaa340, length=0x40) at sha.cpp:1101
1101        STATE1 = _mm_loadu_si128((__m128i*) &state[4]);
(gdb) disass
Dump of assembler code for function SHA256_SSE_SHA_HashBlocks(unsigned int*, unsigned int const*, unsigned long):
   0x000000000068cdd0 <+0>:     sub    $0x308,%rsp
   0x000000000068cdd7 <+7>:     movdqu (%rdi),%xmm0
   0x000000000068cddb <+11>:    movdqu 0x10(%rdi),%xmm1
   ...
   0x000000000068ce49 <+121>:   movq   %xmm2,%xmm0
   0x000000000068ce4d <+125>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2f0(%rsp),%xmm1
   0x000000000068ce56 <+134>:   pshufd $0xe,%xmm2,%xmm3
   0x000000000068ce5b <+139>:   movdqa %xmm13,%xmm2
   0x000000000068ce60 <+144>:   movaps %xmm1,0x2e0(%rsp)
   0x000000000068ce68 <+152>:   movq   %xmm3,%xmm0
   0x000000000068ce6c <+156>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2e0(%rsp),%xmm2
   0x000000000068ce75 <+165>:   movdqu 0x10(%rsi),%xmm3
   0x000000000068ce7a <+170>:   pshufb %xmm8,%xmm3
   0x000000000068ce80 <+176>:   movaps %xmm2,0x2d0(%rsp)
   0x000000000068ce88 <+184>:   movdqa %xmm3,%xmm4
   0x000000000068ce8c <+188>:   paddd  0x6729c(%rip),%xmm4        # 0x6f4130
   0x000000000068ce94 <+196>:   movq   %xmm4,%xmm0
   0x000000000068ce98 <+200>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2d0(%rsp),%xmm1
   ...

例如，0068ce8c 虽然 0068ce98 应该是:

paddd  0x6729c(%rip),%xmm0        # 0x6f4130
sha256rnds2 %xmm0,0x2d0(%rsp),%xmm1

我猜我们选择的内联 asm 指令有点不对。

我们如何解决 Clang 下缺少 Yz 机器约束的问题？什么模式避免了优化代码中的中间移动？

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正在尝试使用 Explicit Register Variable :

const __m128i k asm("xmm0") = c;
asm ("sha256rnds2 %2, %1, %0" : "+x"(a) : "xm"(b), "x" (k));
return a;

结果:

In file included from sha.cpp:24:
./cpu.h:831:22: warning: ignored asm label 'xmm0' on automatic variable
        const __m128i k asm("xmm0") = c;
                            ^
./cpu.h:833:7: error: invalid operand for instruction
        asm ("sha256rnds2 %2, %1, %0" : "+x"(a) : "xm"(b), "x" (k));
             ^
<inline asm>:1:21: note: instantiated into assembly here
        sha256rnds2 %xmm1, 752(%rsp), %xmm0
                           ^~~~~~~~~~
In file included from sha.cpp:24:
./cpu.h:833:7: error: invalid operand for instruction
        asm ("sha256rnds2 %2, %1, %0" : "+x"(a) : "xm"(b), "x" (k));
             ^
<inline asm>:1:21: note: instantiated into assembly here
        sha256rnds2 %xmm3, 736(%rsp), %xmm1
                           ^~~~~~~~~~
...

Answer 1

我根据标签 inline assembly 创建了这个答案，没有提到特定的语言。 Extended assembly templates已经假定使用语言的扩展。

如果 Yz 约束不可用，您可以尝试创建一个临时变量来告诉 CLANG 要使用的寄存器而不是约束。您可以通过所谓的 Explicit Register Variable 来做到这一点:

You can define a local register variable and associate it with a specified register like this:

 register int *foo asm ("r12");

Here r12 is the name of the register that should be used. Note that this is the same syntax used for defining global register variables, but for a local variable the declaration appears within a function. The register keyword is required, and cannot be combined with static. The register name must be a valid register name for the target platform.

在您的情况下，您希望强制使用 xmm0 寄存器。您可以使用显式寄存器将 c 参数分配给临时变量，并将该临时变量用作扩展内联程序集的参数。这是 GCC/CLANG 中显式寄存器的主要目的。

GCC_INLINE __m128i GCC_INLINE_ATTRIB
MM_SHA256RNDS2_EPU32(__m128i a, const __m128i b, const __m128i c)
{
   register const __m128i tmpc asm("xmm0") = c;
   __asm__("sha256rnds2 %2, %1, %0" : "+x"(a) : "x"(b), "x" (tmpc));
    return a;
}

编译器现在应该能够提供一些优化，因为它对如何使用 xmm0 寄存器有更多的了解。

当您将 mov %2, %%xmm0; 放入模板 CLANG(和 GCC)时，不要对指示。 Basic Assembly和Extended Assembly模板是一个黑盒子，它只知道如何根据约束进行基本替换。

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这是使用上述方法进行的反汇编。它是用 clang++ 和 -std=c++03 编译的。额外的 Action 不再存在:

Breakpoint 1, SHA256_SSE_SHA_HashBlocks (state=0x7fffffffae60,
    data=0x7fffffffae00, length=0x40) at sha.cpp:1101
1101        STATE1 = _mm_loadu_si128((__m128i*) &state[4]);
(gdb) disass
Dump of assembler code for function SHA256_SSE_SHA_HashBlocks(unsigned int*, unsigned int const*, unsigned long):
   0x000000000068cf60 <+0>:     sub    $0x308,%rsp
   0x000000000068cf67 <+7>:     movdqu (%rdi),%xmm0
   0x000000000068cf6b <+11>:    movdqu 0x10(%rdi),%xmm1
...
   0x000000000068cfe6 <+134>:   paddd  0x670e2(%rip),%xmm0        # 0x6f40d0
   0x000000000068cfee <+142>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2f0(%rsp),%xmm2
   0x000000000068cff7 <+151>:   pshufd $0xe,%xmm0,%xmm1
   0x000000000068cffc <+156>:   movdqa %xmm1,%xmm0
   0x000000000068d000 <+160>:   movaps %xmm2,0x2e0(%rsp)
   0x000000000068d008 <+168>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2e0(%rsp),%xmm3
   0x000000000068d011 <+177>:   movdqu 0x10(%rsi),%xmm5
   0x000000000068d016 <+182>:   pshufb %xmm9,%xmm5
   0x000000000068d01c <+188>:   movaps %xmm3,0x2d0(%rsp)
   0x000000000068d024 <+196>:   movdqa %xmm5,%xmm0
   0x000000000068d028 <+200>:   paddd  0x670b0(%rip),%xmm0        # 0x6f40e0
   0x000000000068d030 <+208>:   sha256rnds2 %xmm0,0x2d0(%rsp),%xmm2
...