Cコンパイラがスイッチを最適化する理由と異なる場合

最近、奇妙な問題に遭遇したとき、私は個人的なプロジェクトに取り組んでいました。

非常にタイトなループでは、0〜15の値の整数があります。値0、1、8、9の場合は-1を取得し、値4、5、12、13の場合は1を取得する必要があります。

私はいくつかのオプションを確認するためにgodboltを使用しましたが、コンパイラーがifチェーンと同じ方法でswitchステートメントを最適化できないようであることに驚きました。

リンクはここにあります：https：//godbolt.org/z/WYVBFl

コードは次のとおりです。

const int lookup[16] = {-1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0};

int a(int num) {
    return lookup[num & 0xF];
}

int b(int num) {
    num &= 0xF;

    if (num == 0 || num == 1 || num == 8 || num == 9) 
        return -1;

    if (num == 4 || num == 5 || num == 12 || num == 13)
        return 1;

    return 0;
}

int c(int num) {
    num &= 0xF;
    switch (num) {
        case 0: case 1: case 8: case 9: 
            return -1;
        case 4: case 5: case 12: case 13:
            return 1;
        default:
            return 0;
    }
}

私はbとcで同じ結果が得られると考えていましたが、解決策（switchステートメント-別の形式）がかなり遅いため、ビットハックを読んで効率的な実装を自分で作成できることを期待していました。

奇妙なことに、かなり最適化されていないか、ターゲットのハードウェアに依存する別のケースに削減されているb間、ビットハックにコンパイルさcれましたa。

なぜこの矛盾があるのか​​誰かが説明できますか？このクエリを最適化する「正しい」方法は何ですか？

編集：

明確化

私が欲しいスイッチソリューションは、最速、または同様に「クリーン」なソリューションであること。ただし、私のマシンで最適化を使用してコンパイルすると、ifソリューションの方が大幅に高速になります。

デモンストレーション用の簡単なプログラムを作成したところ、TIOはローカルで見つけたのと同じ結果を得ました。オンラインで試してみてください！

static inlineルックアップテーブルは少しスピードアップ：オンラインそれをお試しください！

すべてのケースを明示的に列挙する場合、gccは非常に効率的です。

int c(int num) {
    num &= 0xF;
    switch (num) {
        case 0: case 1: case 8: case 9: 
            return -1;
        case 4: case 5: case 12: case 13:
            return 1;
            case 2: case 3: case 6: case 7: case 10: case 11: case 14: case 15: 
        //default:
            return 0;
    }
}

単純なインデックス付きブランチでコンパイルされます：

c:
        and     edi, 15
        jmp     [QWORD PTR .L10[0+rdi*8]]
.L10:
        .quad   .L12
        .quad   .L12
        .quad   .L9
        .quad   .L9
        .quad   .L11
        .quad   .L11
        .quad   .L9
        .quad   .L9
        .quad   .L12
etc...

default:コメントされていない場合、gccはネストされたブランチバージョンに戻ります。

Cコンパイラはswitch、プログラマがイディオムを理解してswitch悪用することを期待しているため、の特別なケースがあります。

次のようなコード：

if (num == 0 || num == 1 || num == 8 || num == 9) 
    return -1;

if (num == 4 || num == 5 || num == 12 || num == 13)
    return 1;

有能なCコーダーによるレビューに合格しない; 3人または4人のレビューアが同時に「これはswitch！」

Cコンパイラがifジャンプテーブルに変換するためにステートメントの構造を分析することは価値がありません。そのための条件は正確である必要があり、一連のifステートメントで可能な変動の量は天文学的なものです。分析は複雑で、否定的な結果になる可能性があります（「いいえ、これらifのをaに変換することはできませんswitch」）。

次のコードは、〜3クロックサイクル、〜4の有用な命令、および〜13バイトのinline高度なx86マシンコードで、ルックアップブランチフリー、LUTフリーを計算します。

2の補数の整数表現に依存します。

ただし、u32およびs32typedefが実際に32ビットの符号なし整数型と符号付き整数型を指すようにする必要があります。stdint.hタイプuint32_tとint32_t適切でしたが、ヘッダーが利用可能かどうかはわかりません。

const int lookup[16] = {-1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0};

int a(int num) {
    return lookup[num & 0xF];
}


int d(int num){
    typedef unsigned int u32;
    typedef signed   int s32;

    // const int lookup[16]     = {-1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0};
    // 2-bit signed 2's complement: 11 11 00 00 01 01 00 00 11 11 00 00 01 01 00 00
    // Hexadecimal:                   F     0     5     0     F     0     5     0
    const u32 K = 0xF050F050U;

    return (s32)(K<<(num+num)) >> 30;
}

int main(void){
    for(int i=0;i<16;i++){
        if(a(i) != d(i)){
            return !0;
        }
    }
    return 0;
}

こちらをご覧ください：https : //godbolt.org/z/AcJWWf

定数の選択について

ルックアップは、-1から+1までの16個の非常に小さな定数を対象としています。それぞれ2ビット以内に収まり、16ビットあります。これらは次のようにレイアウトできます。

// const int lookup[16]     = {-1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 1, 1, 0, 0};
// 2-bit signed 2's complement: 11 11 00 00 01 01 00 00 11 11 00 00 01 01 00 00
// Hexadecimal:                   F     0     5     0     F     0     5     0
u32 K = 0xF050F050U;

最上位ビットに最も近いインデックス0でそれらを配置することにより、を1回シフトする2*numと、2ビット数の符号ビットがレジスタの符号ビットに配置されます。2ビットの数値を32-2 = 30ビットだけ右にシフトすると、完全にに拡張されint、トリックが完了します。

演算のみを使用して同じ効果を作成できます。

// produces : -1 -1 0 0 1 1 0 0 -1 -1 0 0 1 1 0 0 ...
int foo ( int x )
{
    return 1 - ( 3 & ( 0x46 >> ( x & 6 ) ) );
}

ただし、技術的には、これは（ビットごとの）ルックアップです。

上記が難解であると思われる場合は、次のようにすることもできます。

int foo ( int x )
{
    int const y = x & 6;
    return (y == 4) - !y;
}