C++, 최적화 및 x86에서 PDEP 및 PEXT를 소프트웨어로 구현하는 빠른 대체 알고리즘

2024-07-27

C++, 최적화 및 x86에서 PDEP 및 PEXT를 소프트웨어로 구현하는 빠른 대체 알고리즘

PDEP(Packed Extract Double Precision) 및 PEXT(Packed Extract)는 SSE 명령어 세트의 일부로, 128비트 벡터 레지스터에서 특정 비트 필드를 추출하는 데 사용됩니다. 이러한 명령어는 성능 향상에 유용할 수 있지만 모든 CPU에서 지원되는 것은 아닙니다. 또한 지원되는 CPU에서도 특정 상황에서 느릴 수 있습니다.

문제

PDEP 및 PEXT를 사용하지 않고 소프트웨어에서 동일한 기능을 구현하는 방법이 필요합니다. 이 알고리즘은 다음과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다.

빠르다: PDEP 및 PEXT만큼 빠르거나 더 빠르아야 합니다.
간단하다: 구현 및 이해가 쉬워야 합니다.
효율적이다: 최소한의 메모리 및 CPU 리소스를 사용해야 합니다.

해결 방법

다음은 PDEP 및 PEXT를 소프트웨어로 구현하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 빠른 대체 알고리즘입니다.

비트 마스킹: 비트 마스크를 사용하여 원하는 비트 필드를 추출할 수 있습니다. 이 방법은 간단하지만 느릴 수 있습니다.
룩업 테이블: 룩업 테이블을 사용하여 원하는 비트 필드의 위치를 빠르게 찾을 수 있습니다. 이 방법은 더 빠르지만 더 많은 메모리를 사용합니다.
브루트 포스: 원하는 비트 필드를 찾기 위해 루프를 사용할 수 있습니다. 이 방법은 가장 느리지만 가장 적은 메모리를 사용합니다.

최적화

다음은 알고리즘 성능을 최적화하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 기술입니다.

SIMD: SIMD 명령어를 사용하여 여러 비트 필드를 동시에 추출할 수 있습니다.
인라인화: 루프를 인라인화하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.
브랜치 예측: 분기 예측을 사용하여 분기 페널티를 줄일 수 있습니다.

예제 코드

비트 마스킹

uint32_t pdep(uint32_t value, uint32_t mask) {
  return (value & mask) >> _mm_count_leading_zeros(mask);
}

uint32_t pext(uint32_t value, uint32_t mask) {
  return (value & mask) << _mm_count_trailing_zeros(mask);
}

룩업 테이블

const uint32_t pdep_table[256] = {
  // ...
};

uint32_t pdep(uint32_t value, uint32_t mask) {
  return pdep_table[mask & 0xFF] | (pdep_table[mask >> 8] << 8) |
         (pdep_table[mask >> 16] << 16) | (pdep_table[mask >> 24] << 24);
}

const uint32_t pext_table[256] = {
  // ...
};

uint32_t pext(uint32_t value, uint32_t mask) {
  return pext_table[mask & 0xFF] | (pext_table[mask >> 8] << 8) |
         (pext_table[mask >> 16] << 16) | (pext_table[mask >> 24] << 24);
}

브루트 포스

uint32_t pdep(uint32_t value, uint32_t mask) {
  uint32_t result = 0;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    if (mask & (1 << i)) {
      result |= (value & (1 << i)) << i;
    }
  }
  return result;
}

uint32_t pext(uint32_t value, uint32_t mask) {
  uint32_t result = 0;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    if (mask & (1 << i)) {
      result |= (value & (1 << i)) >> i;
    }
  }
  return result;
}