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SmartPtr
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By SmartPtr(http://www.shnenglu.com/SmartPtr/)

一般情況下,如果要我們寫一個求絕對值的函數,我們的實現很有可能會是這樣:

template<class T>
T abs_Normal(T tNum)
{
    
if(tNum > 0.0)
        
return tNum;
    
else
        
return -tNum;
}

也就是說我們會用到一個if-else判斷來決定是否反轉符號位。在3D游戲軟件,或一些對性能要求比較高的底層系統中,當大規模的求絕對值時,這個if-else結構會帶來性能上的損失,那么,如何來消除if-else結構呢?或許會有人說,我們可以用三元操作符啊:

template<class T>
T abs_Normal(T tNum)
{
     
return tNum > 0.0 ? tNum : -tNum;
}

 但是事實上這是換湯不換藥,因為其實質上還是存在if-else的判斷的(這應該可以從反匯編代碼中看出來)。
 
我們是通過位操作來消除if-else判斷來求絕對值。
 
因為使用位操作,我們不得不考慮我們操作對象類型的字節數,下面我將以都是4字節得float和int為例實現位操作求絕對值。
 首先,我們有必要了解一下float與int在計算機中的內部表示方法。
1) float: float即單精度浮點數,"浮點數"由兩部分組成,即尾數和階碼。在浮點表示方法中,小數點的位置是浮動的,階碼可取不同的數值。為了便于計算機中小數點的表示,規定將浮點數寫成規格化的形式,即尾數的絕對值大于等于0.1并且小于1,從而唯一規定了小數點的位置。尾數的長度將影響數的精度,其符號將決定數的符號。浮點數的階碼相當于數學中的指數,其大小將決定數的表示范圍。一個浮點數在計算機中的表現形式如下:
尾數符號 階碼 尾數有效值
 
2) int: 用補碼表示,因為正整數的原碼,反碼,補碼都是一樣的,而負整數的補碼則是通過原碼->反碼->補碼轉換來的,所以,-3與3的內部表示位差別不僅僅在符號位
其次,這里先列出兩個在代碼中用到的宏:
#define INV_SIGN_BIT 0x7fffffff //用來反轉符號位
#define USE_ASM         //是否使用匯編代碼
 
1 float求絕對值
 知道了float的內部表示,我們知道要求其絕對值,只要將其尾數符號位置0即可。這又有下面兩種方法:
 1)與:通過和INV_SIGN_BIT相"與"而將符號位置0

inline float Fabs_and(float fNum)
{
#ifdef USE_ASM
    
float fOut;
    __asm
    {
        MOV EAX, fNum;
        AND EAX, INV_SIGN_BIT; 
//set the sign bit to 0 by AND
        MOV fOut, EAX;
    }
    
return fOut;
#else
    
int* temp = (int*)&fNum;
    
int out = *temp & INV_SIGN_BIT;
    
return *((float*)&out);
#endif
 
}


注:
1)這里將float轉化成int的原因是C語言不支持float的移位操作。
 
2)移位:通過先邏輯左移1位,再邏輯右移一位將符號位置0

inline float Fabs_shift(float fNum)
{
#ifdef USE_ASM
    
float fOut = 0;
    __asm
    {
        MOV EAX, fNum;
        SHL EAX, 
1//set the sign bit to 0 by shift left then right
        SHR EAX, 1;
        MOV fOut, EAX;
    }
    
return fOut;
#else
    unsigned 
int* temp = (unsigned int*)&fNum;
    unsigned 
int out = *temp;
 
    
out = out << 1;
    
out = out >> 1;
 
    
return *((float*)&out);
#endif
}

注:
1)這里使用unsigned int的原因是C語言的移位操作對有符號數是算術移位,對無符號數是邏輯移位。而我們需要的是邏輯移位
 
2 int求絕對值
因為整型的內部表示是反碼,我們不能簡單的通過符號位置0求絕對值,下面的算法很好的解決了這個問題:

inline int Abs_bit(int iNum )
{
#ifdef USE_ASM
    
int iOut = 0;
    __asm
    {
        MOV EAX, iNum;
        MOV EDX, EAX;
        SAR EDX, 
31;   //all of edx's bit are eax's sign bit: 000.. or 111
        XOR EAX, EDX; //this interesting algorithm help to avoid "if else" structure
        SUB EAX, EDX;
        MOV iOut, EAX;
    }
    
return iOut;
#else
 
    
int out = iNum;
    
int temp = iNum;
    temp 
= temp >> 31;
 
    
out = out ^ temp;
    
out = out - temp;
 
    
return out;
 
#endif
}

注:
1)對于代碼
         temp = temp >> 31;
         out = out ^ temp;
         out = out - temp;
如果iNum是正數:
         temp = temp >> 31; //temp = 0
         out = out ^ temp; //與0異或不變
         out = out - temp; //減0不變
 
out的結果就是iNum,即正數的絕對值是其本身,沒問題
 
如果iNum是負數:
         temp = temp >> 31; //temp = oxffffffff
         out = out ^ temp; //out為iNum求反
         out = out - temp; // 此時temp = 0xffffffff = -1, 所以out = out + 1
把一個負數的補碼連符號位求反后再加1,就是其絕對值了。比如對于-2來說:
原碼  反碼 補碼 補碼全求反 再加1
備注
10000010 11111101  11111110 00000001 00000010

大家可以看到第一個與最后一個數只有符號位不同,也就實現了求其絕對值。
 
對于其他類型的數據求絕對值,應該 都是大同小異的。這里就不再列舉。

posted on 2007-07-05 17:56 SmartPtr 閱讀(7912) 評論(13)  編輯 收藏 引用

FeedBack:
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 18:33 | SuperPlayeR
大人是搬家了吧,一下子貼了這么多文章上來了。呵呵~
受教了~~  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 19:37 | SmartPtr
對,就是搬家:)  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 20:21 | DC
inline int Abs_bit(int iNum )
{
int out = iNum;
int temp = iNum;
temp = temp >> 31;

out = out ^ temp;
out = out - temp;

return out;
}

上面代碼的步驟比下面這個還多,何來多此一舉?

template<class T>
T abs_Normal(T tNum)
{
return tNum > 0.0 ? tNum : -tNum;
}  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 20:51 | SmartPtr
代碼數量少, 并不代表其后執行的指令少; 當然,對于現在的編譯器,我們有理由相信它會幫我們優化的很好,我不敢保證我的消除了if-else的代碼會比其優化后的更好, 但至少我們知道了這其中優化有可能是這么做的。  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 21:35 | DC
其實我指的不是代碼數量的問題。

template<class T>
T abs_Normal(T tNum)
{
return tNum > 0.0 ? tNum : -tNum;
}

就這個而言,對于正數,只需一個比較步驟就可返回,
對于負數,則需兩個步驟:比較和取負值,就可返回。

對于比較和取負值的機器代碼因該很小,
類似于一般計算,所以最終編譯后相對CPU的total steps,
應該少于下面這個

inline int Abs_bit(int iNum )
{
int out = iNum;
int temp = iNum;
temp = temp >> 31;

out = out ^ temp;
out = out - temp;

return out;
}  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 21:52 | Corner Zhang
@DC
不一定的。具體的還得看在目標平臺上的測試結果。
影響性能的因素不只是指令所占的cpu周期,在現代的cpu上由于超標量體系的引入,跳轉指令會影響cpu的分支預測功能,從而使得cache hit rate又說下降。  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-05 22:30 | DC
@Corner Zhang
你說的還是有些道理,看來具體的結果只有在特定的平臺上測試后才能知曉!
  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-09 19:15 | 橙子
這樣的優化有意義嗎?  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-17 19:09 | abware
感覺沒有太大必要。
temp>>31 ,如果int類型不是占用4個字節呢?  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2007-07-17 21:13 | Corner Zhang
這樣的研究、嘗試是有意義的。
不過在實際項目中,還是產出可理解的代碼為先。

原則:
Keep it work
Keep it work, and right
Keep it work、right and fast  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2008-05-04 14:35 | basilwang
支持一下  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2009-03-26 23:54 | polisan
優化是有意義的,流水線很怕分支預測,尤其是流水級數很大的情況下.  回復  更多評論
  
# re: 用位運算實現求絕對值-有效避開if-else判斷
2012-05-25 14:58 | tttt
這樣優化是有意義的,但是,做絕對值一般會用? : 操作符,這樣其實不是 if else實現的(會用比較高效的位操作實現)

但是直接這樣寫abs的位操作比? :的通用操作還是會少用那么2,3個操作符,但意義不是特別大  回復  更多評論
  
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