同时将所有结构元素与标量相乘

Question

我有一个表示向量的结构。该向量由两个单字节整数组成。我用它们来保持 0 到 255 之间的值。

typedef uint8_T unsigned char;

struct Vector
{
  uint8_T x;
  uint8_T y;
};

现在，我程序中的主要用例是将向量的两个元素与 32 位浮点值相乘：

typedef real32_T float;

Vector Vector::operator * ( const real32_T f ) const {
  return Vector( (uint8_T)(x * f), (uint8_T)(y * f) );
};

这需要经常执行。有没有办法可以同时执行这两个乘法？也许通过矢量化、SSE 或类似方法？或者 Visual studio 编译器是否已经同时执行此操作？

另一个用例是在两个向量之间进行插值。

Vector Vector::interpolate(const Vector& rhs, real32_T z) const
{
  return Vector(
        (uint8_T)(x + z * (rhs.x - x)),
        (uint8_T)(y + z * (rhs.y - y))
        );
}

这已经使用了优化的插值方法 ()。

但是向量的值再次乘以相同的标量值。是否有可能提高这些操作的性能？

谢谢

（我使用 Visual Studio 2010 和 64 位编译器）

Answer 1

根据我的经验，Visual Studio（尤其是像 VS2010 这样的旧版本）本身并没有做很多向量化。他们在较新的版本中对其进行了改进，因此如果可以的话，您可能会看到更改编译器是否可以加速您的代码。

根据使用这些函数的代码和编译器所做的优化，减慢程序速度的甚至可能不是计算。函数调用和缓存未命中可能会造成更多伤害。

您可以尝试以下方法：

如果还没有完成，请在头文件中定义函数，以便编译器可以内联它们
如果您在紧密循环中使用这些函数，请尝试在不调用任何函数的情况下进行计算 'by hand'（暂时公开变量），看看速度是否有所不同）
如果你有很多向量，看看它们在内存中的布局。连续存储它们以最大程度地减少缓存未命中。
要使 SSE 真正发挥作用，您必须同时处理 4 个值 - 因此将 2 个向量乘以 2 个浮点数。在一个循环中，使用步长 2 并编写一个静态函数，使用 SSE 指令一次计算 2 个向量。因为您的向量未对齐（并且几乎不会与 8 位变量对齐），代码甚至可能运行比您现在拥有的慢，但值得一试。
如果适用并且您不依赖于从 float 到 uint8_t 的强制转换（例如，如果您的浮点数在 [0,1] 范围内），请尝试到处使用 float。这可能会让编译器做更好的优化。

Answer 2

你没有展示完整的算法，但是整数和浮点数之间的转换是一个非常慢的操作。消除此操作并仅使用一种类型（如果可能最好是整数）可以大大提高性能。

或者，您可以使用 lrint() 进行转换，如 here 所述。

同时将所有结构元素与标量相乘

Simultaneously multiply all struct-elements with a scalar

c++

vectorization

sse

simultaneous

vector-multiplication