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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(shù),我們的實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)中,當大規(guī)模的求絕對值時,這個if-else結(jié)構會帶來性能上的損失,那么,如何來消除if-else結(jié)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(zhì)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(jié)數(shù),下面我將以都是4字節(jié)得float和int為例實現(xiàn)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(nèi)部表示方法。
            1) float: float即單精度浮點數(shù),"浮點數(shù)"由兩部分組成,即尾數(shù)和階碼。在浮點表示方法中,小數(shù)點的位置是浮動的,階碼可取不同的數(shù)值。為了便于計算機中小數(shù)點的表示,規(guī)定將浮點數(shù)寫成規(guī)格化的形式,即尾數(shù)的絕對值大于等于0.1并且小于1,從而唯一規(guī)定了小數(shù)點的位置。尾數(shù)的長度將影響數(shù)的精度,其符號將決定數(shù)的符號。浮點數(shù)的階碼相當于數(shù)學中的指數(shù),其大小將決定數(shù)的表示范圍。一個浮點數(shù)在計算機中的表現(xiàn)形式如下:
            尾數(shù)符號 階碼 尾數(shù)有效值
             
            2) int: 用補碼表示,因為正整數(shù)的原碼,反碼,補碼都是一樣的,而負整數(shù)的補碼則是通過原碼->反碼->補碼轉(zhuǎn)換來的,所以,-3與3的內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)部表示,我們知道要求其絕對值,只要將其尾數(shù)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(zhuǎn)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(shù)是算術移位,對無符號數(shù)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(nèi)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(shù):
                     temp = temp >> 31; //temp = 0
                     out = out ^ temp; //與0異或不變
                     out = out - temp; //減0不變
             
            out的結(jié)果就是iNum,即正數(shù)的絕對值是其本身,沒問題
             
            如果iNum是負數(shù):
                     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(shù)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(shù)只有符號位不同,也就實現(xiàn)了求其絕對值。
             
            對于其他類型的數(shù)據(jù)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(7874) 評論(13)  編輯 收藏 引用

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            # re: 用位運算實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)求絕對值-有效避開if-else判斷
            2007-07-05 20:51 | SmartPtr
            代碼數(shù)量少, 并不代表其后執(zhí)行的指令少; 當然,對于現(xiàn)在的編譯器,我們有理由相信它會幫我們優(yōu)化的很好,我不敢保證我的消除了if-else的代碼會比其優(yōu)化后的更好, 但至少我們知道了這其中優(yōu)化有可能是這么做的。  回復  更多評論
              
            # re: 用位運算實現(xiàn)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(shù)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(shù),只需一個比較步驟就可返回,
            對于負數(shù),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(xiàn)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(jié)果。
            影響性能的因素不只是指令所占的cpu周期,在現(xiàn)代的cpu上由于超標量體系的引入,跳轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)求絕對值-有效避開if-else判斷
            2007-07-09 19:15 | 橙子
            這樣的優(yōu)化有意義嗎?  回復  更多評論
              
            # re: 用位運算實現(xiàn)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(jié)呢?  回復  更多評論
              
            # re: 用位運算實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)求絕對值-有效避開if-else判斷
            2009-03-26 23:54 | polisan
            優(yōu)化是有意義的,流水線很怕分支預測,尤其是流水級數(shù)很大的情況下.  回復  更多評論
              
            # re: 用位運算實現(xiàn)求絕對值-有效避開if-else判斷
            2012-05-25 14:58 | tttt
            這樣優(yōu)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(xiàn)的(會用比較高效的位操作實現(xiàn))

            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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