C++ 関数のパフォーマンスの最適化における CPU 命令セットの最適化

CPU 命令セットの最適化は、次のような最新の CPU の特定の命令を利用することで関数のパフォーマンスを向上させるテクノロジです。 AVX 命令セット: 複数のデータ要素を一度に処理してパフォーマンスを向上させる SIMD 命令を提供します。 SSE 命令セット: SIMD 命令と安全なメモリ コピーなどの高度な機能を提供します。実際のケース: AVX 命令を使用して画像フィルターを最適化し、パフォーマンスを大幅に向上させ、画像処理時間を短縮します。

C 関数パフォーマンスの最適化における CPU 命令セットの最適化

概要

CPU命令セットの最適化は、最新の CPU が提供する特定の命令を利用して関数のパフォーマンスを向上させる手法です。これらの命令は通常、浮動小数点計算や文字列処理などの特定の種類の操作用に最適化されています。これらの命令を使用すると、実行時間を大幅に短縮できます。

AVX 命令セット

AVX (Advanced Vector Extensions) は、単一命令複数データ (SIMD) 操作を実行するための命令を提供する CPU 命令セットです。 SIMD 操作は、プロセッサが複数のデータ要素を一度に処理できるようにすることでパフォーマンスを向上させます。

たとえば、次のコードは AVX 命令を使用して一連の数値の合計を並列計算します。

#include <immintrin.h>

__m256 sum(float* arr, size_t size) {
  __m256 sum_vec = _mm256_setzero_ps();
  for (size_t i = 0; i < size; i += 8) {
    __m256 val_vec = _mm256_loadu_ps(arr + i);
    sum_vec = _mm256_add_ps(sum_vec, val_vec);
  }
  return sum_vec;
}

SSE 命令セット

SSE (ストリーミング SIMD 拡張機能) は、SIMD 操作やその他の高度な機能を実行するための命令を提供するもう 1 つの CPU 命令セットです。

たとえば、次のコードは SSE 命令を使用してメモリのセットを安全にコピーします。

#include <tmmintrin.h>

void secure_memcpy(void* dst, void* src, size_t size) {
  char* dst_char = (char*)dst;
  char* src_char = (char*)src;
  for (size_t i = 0; i < size; i += 16) {
    _mm_storeu_si128((__m128i*)dst_char, _mm_loadu_si128((__m128i*)src_char));
    dst_char += 16;
    src_char += 16;
  }
}

実用的なケース

次は、を使用した最適化です。 CPU 命令セット 画像処理タスクを最適化する実際のケースを使用してみましょう:

// 使用 AVX 指令并行化图像滤波器
__m256 filter_image(float* image, float* filter, size_t width, size_t height) {
  __m256filtered_image = _mm256_setzero_ps();
  for (size_t y = 0; y < height; y++) {
    for (size_t x = 0; x < width; x += 8) {
      __m256 image_vec = _mm256_loadu_ps(image + y * width + x);
      __m256 filter_vec = _mm256_loadu_ps(filter);
      filtered_image_vec = _mm256_add_ps(filtered_image_vec,
                          _mm256_mul_ps(image_vec, filter_vec));
    }
  }
  return filtered_image;
}

CPU 命令セットの最適化を使用すると、画像フィルターのパフォーマンスが大幅に向上し、画像処理時間が短縮されます。

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