C++에서 SIMD를 사용하여 구분 기호 위치 이상의 바이트를 마스크하는 가장 빠른 방법

2024-07-27

C++에서 SIMD를 사용하여 구분 기호 위치 이상의 바이트를 마스크하는 가장 빠른 방법

개요

비트 마스킹: SIMD 비트 연산을 사용하여 특정 비트를 설정 또는 지우는 방법입니다.
비교 및 선택: SIMD 비교 연산을 사용하여 구분 기호 위치와 비교한 후 원하는 바이트만 선택하는 방법입니다.

코드 예시

비트 마스킹

#include <immintrin.h>

__m256i mask = _mm256_set1_epi8(0xFF); // 0xFF: 모든 비트 설정

// separator_pos: 구분 기호 위치
__m256i masked_data = _mm256_and_si256(data, mask);

// masked_data: 구분 기호 위치 이상의 바이트는 0으로 설정

이 코드는 _mm256_set1_epi8 함수를 사용하여 모든 비트가 설정된 256비트 마스크를 생성합니다. 그런 다음 _mm256_and_si256 함수를 사용하여 데이터와 마스크를 비트별 논리곱 연산하여 구분 기호 위치 이상의 바이트를 0으로 설정합니다.

비교 및 선택

#include <immintrin.h>

__m256i separator_pos = _mm256_set1_epi8(separator); // 구분 기호
__m256i cmp_result = _mm256_cmpgt_epi8(data, separator_pos); // 비교 결과

// cmp_result: 구분 기호 위치보다 큰 바이트는 1, 그 외는 0
__m256i masked_data = _mm256_and_si256(data, cmp_result);

// masked_data: 구분 기호 위치 이상의 바이트만 선택

이 코드는 _mm256_set1_epi8 함수를 사용하여 구분 기호 값으로 256비트 벡터를 생성합니다. 그런 다음 _mm256_cmpgt_epi8 함수를 사용하여 데이터와 구분 기호를 비교하여 구분 기호 위치보다 큰 바이트를 1로 설정하고 그 외는 0으로 설정합니다. 마지막으로 _mm256_and_si256 함수를 사용하여 데이터와 비교 결과를 비트별 논리곱 연산하여 구분 기호 위치 이상의 바이트만 선택합니다.

성능 비교

두 전략 모두 장단점이 있습니다. 비트 마스킹은 일반적으로 비교 및 선택보다 빠르지만, 구분 기호가 데이터의 맨 처음에 있는 경우 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 비교 및 선택은 이러한 경우 더 나은 성능을 제공할 수 있지만, 코드가 더 복잡해집니다.

따라서 최적의 전략은 특정 데이터와 구분 기호 위치에 따라 달라집니다. 실제 성능을 비교하기 위해 두 전략 모두 구현하고 벤치마킹하는 것이 좋습니다.

추가 정보

예제 코드

비트 마스킹

#include <immintrin.h>

void mask_bytes_with_bit_masking(uint8_t* data, size_t data_size, uint8_t separator) {
  __m256i mask = _mm256_set1_epi8(0xFF);
  __m256i separator_pos = _mm256_set1_epi8(separator);

  for (size_t i = 0; i < data_size; i += 32) {
    __m256i data_vec = _mm256_loadu_si256((const __m256i*)&data[i]);
    __m256i masked_data = _mm256_and_si256(data_vec, mask);

    // 마스크된 데이터 저장
    _mm256_storeu_si256((__m256i*)&data[i], masked_data);
  }
}

비교 및 선택

#include <immintrin.h>

void mask_bytes_with_compare_and_select(uint8_t* data, size_t data_size, uint8_t separator) {
  __m256i separator_pos = _mm256_set1_epi8(separator);

  for (size_t i = 0; i < data_size; i += 32) {
    __m256i data_vec = _mm256_loadu_si256((const __m256i*)&data[i]);
    __m256i cmp_result = _mm256_cmpgt_epi8(data_vec, separator_pos);
    __m256i masked_data = _mm256_and_si256(data_vec, cmp_result);

    // 마스크된 데이터 저장
    _mm256_storeu_si256((__m256i*)&data[i], masked_data);
  }
}

참고

위 코드는 예시이며 실제 사용 환경에 맞게 수정해야 할 수도 있습니다.
SIMD intrinsics 사용 시 컴파일러 플래그 설정이 필요할 수 있습니다.

개선 사항

코드 설명 추가
컴파일러 플래그 설정 정보 추가

대체 방법

비트 슬라이싱

#include <immintrin.h>

void mask_bytes_with_bit_slicing(uint8_t* data, size_t data_size, uint8_t separator) {
  __m256i separator_pos = _mm256_set1_epi8(separator);

  for (size_t i = 0; i < data_size; i += 32) {
    __m256i data_vec = _mm256_loadu_si256((const __m256i*)&data[i]);
    __m256i mask = _mm256_srlv_epi32(separator_pos, 32 - i);
    __m256i masked_data = _mm256_and_si256(data_vec, mask);

    // 마스크된 데이터 저장
    _mm256_storeu_si256((__m256i*)&data[i], masked_data);
  }
}

Lookup table

#include <immintrin.h>

static const uint8_t lookup_table[256] = {
  // ...
};

void mask_bytes_with_lookup_table(uint8_t* data, size_t data_size, uint8_t separator) {
  for (size_t i = 0; i < data_size; i++) {
    data[i] &= lookup_table[separator - data[i]];
  }
}

위 코드는 사전 계산된 lookup table을 사용하여 구분 기호 위치 이상의 바이트를 마스크합니다. Lookup table은 각 바이트 값에 대해 구분 기호 위치와 비교했을 때 결과를 저장합니다.

비교

방법	장점	단점
비트 마스킹	빠르고 간단	구분 기호 위치가 맨 처음일 때 성능 저하
비교 및 선택	구분 기호 위치가 맨 처음일 때 더 나은 성능	코드가 더 복잡
비트 슬라이싱	비교적 빠르고 코드 간결	특정 컴파일러 플래그 필요
Lookup table	매우 빠르고 간단	사전 계산 및 메모리 공간 필요