Vetorização SSE & AVX

Vetorização automática

Flags de autovetorização do GCC

O GCC é um compilador com recursos avançados, e, com as flags de otimização -O3 ou -ftree-vectorize, o programador pode indicar ao compilador para que procure por laços e otimize-os (lembre-se de também especificar a flag -mavx). O código fonte continua o mesmo, contudo, o código compilado pelo GCC é completamente diferente.

Por padrão, o GCC não irá indicar se ou onde foi aplicada a autovetorização, exceto que as seguintes flags sejam utilizadas:

• -fopt-info-vec ou -fopt-info-vec-optimized: O compilador vai informar quais laços (por N° de linha) estão sendo otimizados por vetorização.
• -fopt-info-vec-missed: Fornece informações detalhadas sobre os laços nos quais não foram otimizados, permitindo ao programador que realize mudanças no código para que tal otimização seja possível.
• -fopt-info-vec-note: Informações detalhadas sobre todos os laços e otimizações feitas.
• -fopt-info-vec-all: Todas as flags anteriores.

NOTA: Há flags similares para outras otimizações que seguem o formato -fopt-info-[opção]-optimized tal como a otimização inline na qual pode ser indicada com a flag -fopt-info-inline-optimized

Neste exemplo, utilizaremos a otimização de autovetorização do GCC. Para isso, habilite as flags -O3 e com o modo verboso -fopt-info-vec-optimized. Você pode alterar as flags de compilação para ver diferentes opções de saída:

Se tudo estiver correto, os resultados dos testes devem ser iguais aos seguintes:

/project/target/autovector/autovector.cpp:22:21: note: loop vectorized
/project/target/autovector/autovector.cpp:15:23: note: loop vectorized

Com o mesmo código fonte, é possível realizar dois testes distintos:

• No arquivo compilerflags.txt, altere as opções de exibição de informações para -fopt-info-vec-all, e execute novamente o exemplo.
• Na primeira linha de do arquivo autovector.cpp, altere optimize("O3", para optimize("O2",, e execute novamente.

Compilações que não utilizam otimizações de vetorização serão mais lentas que as vetorizadas.

Requisitos para a vetorização de laços

Nem todos os laços podem ser vetorizados. Para que tal otimização seja realizada, existem algumas ressalvas:

• A contagem do laço não pode ser alterada assim que as iterações se iniciarem. Isso significa que o final do laço deve ser previsível, sem a utilização de variáveis dinâmicas para esse controle, isto é, alterarem-se sem comportamento previsível, aleatoriamente crescendo ou descrescendo.
• O uso das palavras chave break ou continue também impõem limitações. Algumas vezes o compilador é inteligente o suficiente para aplicar a otimização mesmo com o uso delas, mas este não é sempre o caso. Tente adicionar a linha if (j == 27) continue; logo antes da atribuição result[j] na linha 25, e execute novamente a compilação.
• Há alguns limites na realização de chamadas de funções externas dentro do laço.
• Não deve haver dependência de dados com outros índices do laço. Por exemplo, for (int i = 1; i < N; i++) x[i] = x[i - 1] * 2;, neste caso, o laço é percorrido com a variável i, e o dado na posição x[i] depende no valor resultante anterior x[i - 1]. De modo que os registradores AVX são carregados utilizando 8 valores de ponto flutuante, o compilador não consegue fazer tal operação de forma otimizada.
• Comandos condicionais (if / else) podem ser utilizados desde que não alterem o fluxo de controle, e apenas para, por exemplo, condicionamente carregar os valores A ou B na variável C. Para selecionar os valores A ou B o compilador aplica o uso de máscaras, de modo que ambos os caminhos de dados A e B são calculados, e C vai carregar um valor ou outro. Por exemplo:

 if ( s >= 0 ) {
   x[i] = (-b[i]+s)/(2.0f*a[i]);
   y[i] = (-b[i]-s)/(2.0f*a[i]);
 }
 else {
   x[i] = 0.0f;
   y[i] = 0.0f;
 }

Este é um laço vetorizável. Note que o fluxo de controle nunca é alterado, e as posições x[i] e y[i] são sempre definidas para um ou outro valor.

Leia Vectorization with Intel C++ Compilers para informações adicionais sobre autovetorização. Este documento refere-se a compiladores da Intel, mas fornece informações completas e interessantes sobre o assunto. Também é possível encontrar informações na página Auto-vectorization in GCC do compilador GCC.

Um detalhe interessante sobre autovetorização é que ela vem de graça. O programador não precisa realizar mudanças drásticas no código, e possivelmente o laço será vetorizado. Algumas vezes, especialmente em computações de alto desempenho, os laços e a vetorização precisam ser otimizados manualmente para utilizar os registradores AVX, garantindo maior vazão. Tal tópico será explorado nas próximas lições.