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使用SIMD技术提高C 程序性能

作者：张银奎，《软件调试》和《格蠹汇编》作者，从事软件开发和研究十余年，对IA-32架构、操作系统内核、虚拟技术，尤其对软件调试有较深入的研究。微博ID：@dbgger本文为《程序员》订阅《程序员》今天和C++同行谈谈如何提高自己的身价。编程语言只是工具，要把工具用到最合适的地方，扬其长且避其短，打造出有价值的软件产品，那么使用这工具的人自然身价就高了。C++语言的优势C++语言有哪些优势呢？当然有很多，不然早消亡了。但泛泛地说“有很多”没意义。到底有哪些呢？不同人可能有不同的回答。同一个人在不同时间也可能回答不同。这里我们不妨听听C++之父Bjarne Stroustrup先生如何说。在前不久举办的“2016 C++及系统软件技术大会”上，Bjarne先生做了题为《What C++ is and what it will become》的主题演讲。他很深刻地阐释了到底什么是C++，解说了C++语言的根本特征和优势。有一页讲稿的题目叫“C++ in two lines”（用两行话来描述C++），可谓画龙点睛之笔。这两行是什么呢？第一行是“Direct map to hardware”，第二行是“Zero overhead abstraction”。粗浅翻译一下，就是“直接映射到硬件”和“0负担抽象”。“直接映射到硬件”是说C++语言和硬件之间直接对应，C++的语句可以直接对应到CPU指令，C++

的数据类型也可以直接对应到CPU支持的数据类型。也就是说，C++语言的代码和数据可以很直接地翻译到CPU支持的指令和数据，不需要做这样那样的转换。概言之，就是效率很高。单纯从效率来讲，最直接的语言当然要属汇编，但汇编语言的问题是缺乏高级抽象，代码难以组织。所以Bjarne先生的第二行是“0负担抽象”，我想这一行又包含两层意思，第一层意思是C++是有抽象的，第二层意思是支持抽象的负担为0。在今天的软件大生产时代，即使是比较小型的软件项目，使用抽象也是必须的。今天流行的编程语言几乎无不支持抽象，不论Java还是C#、F#。虽然都支持抽象，但有些语言为了抽象付出的代价很大，资源消耗多，运行速度慢，也就是额外开销高。而C++是0负担抽象，0额外开销。Bjarne先生一定也知道Java的流行，一定也听见过关于C++和Java孰是孰非的争论。说C++是0额外开销略微有些夸张，但相对其他额外开销高的语言来说，相当于是0了。不这样说的话，说抽象负担远远低于其他语言，岂不啰嗦？一代宗师此言一出，言简意赅，料也无人敢出来说半个不是。图1 C++之父Bjarne先生在介绍C++的根本优势这两行话简单有力，一个是效率高，一个是负担小，加起来一起托出C++的核心优势：锐利无比，性能一流。怀着虔诚的心，我一边聆听Bjarne先生论述上面两行话，一边用手机拍下了这个历史瞬间。地点是上海浦东外高桥的喜来登酒

店，时间是2016年10月28日上午10点12分。大师的话值得反复体味，每个C++程序员都应该牢记。在做设计时，我们应该用这两句话来检查自己的设计，是否大道至简，能否发挥硬件的性能。编写和检查代码时，我们更应该想起这两句话，把杂乱的逻辑理顺，把冗余的代码删掉，反复优化每行代码，把硬件的性能发挥到极致。不然的话，怎么对得起C++语言，怎么对得起Bjarne先生？图2 C++之父Bjarne先生希望加入到C++17中的语言特征有人说，硬件太强大了，写代码时不需要那么在意性能问题。这话真是放屁，每一位有责任心的C++程序员都应该站出来痛斥这样的言论。在Bjarne先生介绍C++的未来发展时，他谈到了最希望加入到C++17中的语言特征。在这个包含十项内容的列表中，第8项是SIMD向量和并行化算法。刚好与我为准备的讲题不谋而合。SIMD是Single Instruction，Multiple Data的缩写——意为单指令多数据。我是在Intel工作期间听说这个技术的，好多年前了，什么场合已经记不清，但仍记得当时眼前一亮，仿佛看到一束霞光，心中赞叹这种做法太美妙了。SIMD思想的最大特色和魅力是简单自然——人法地，地法天，天法道，道法自然。为什么如此说呢？因为SIMD思想的应用实例在我们的生活中随处可见，其出现年代或许可以追溯到原始社会。我喜欢吃面包，因此以面包作坊为例。假设某作坊要做1000个面包，每个面包要经过成型、入炉、