Código de máquina x86 (SIMD 4x flotante usando SSE1 y AVX de 128 bits) 94 bytes
Código de máquina x86 (SIMD 4x doble con AVX de 256 bits) 123 bytes
floatpasa los casos de prueba en la pregunta, pero con un umbral de salida de bucle lo suficientemente pequeño como para que eso suceda, es fácil que se quede atascado en un bucle infinito con entradas aleatorias.
Las instrucciones SSE1 de precisión simple empaquetada tienen 3 bytes de longitud, pero las instrucciones SSE2 y AVX simples tienen 4 bytes de longitud. (Las instrucciones simples escalares sqrtsstambién tienen una longitud de 4 bytes, por eso lo utilizo sqrtpsaunque solo me importa el elemento bajo. Ni siquiera es más lento que sqrtss en el hardware moderno). Usé AVX para un destino no destructivo para guardar 2 bytes vs.movaps + op.
En la versión doble todavía podemos hacer un par movlhpspara copiar fragmentos de 64 bits (porque a menudo solo nos importa el elemento bajo de una suma horizontal). La suma horizontal de un vector SIMD de 256 bits también requiere un extra vextractf128para obtener la mitad alta, en comparación con la estrategia lenta pero pequeña de 2x haddpspara flotación . losdoubleLa versión también necesita 2x constantes de 8 bytes, en lugar de 2x 4 bytes. En general, sale cerca de 4/3 del tamaño de la floatversión.
mean(a,b) = mean(a,a,b,b)para los 4 de estos medios , por lo que simplemente podemos duplicar la entrada de hasta 4 elementos y nunca tener que implementar length = 2. Por lo tanto, podemos codificar la media geométrica como 4th-root = sqrt (sqrt), por ejemplo. Y sólo tenemos una constante FP, 4.0.
Tenemos un solo vector SIMD de los 4 [a_i, b_i, c_i, d_i]. A partir de eso, calculamos los 4 medios como escalares en registros separados y los volvemos a mezclar para la próxima iteración. (Las operaciones horizontales en los vectores SIMD son inconvenientes, pero necesitamos hacer lo mismo para los 4 elementos en suficientes casos que se equilibren. Comencé con una versión x87 de esto, pero se estaba haciendo muy larga y no era divertida).
La condición de salida de bucle de }while(quadratic - harmonic > 4e-5)(o una constante menor para double) se basa en la respuesta R de @ RobinRyder y la respuesta Java de Kevin Cruijssen : la media cuadrática es siempre la magnitud más grande y la media armónica es siempre la más pequeña (ignorando los errores de redondeo). Entonces podemos verificar el delta entre esos dos para detectar la convergencia. Devolvemos la media aritmética como el resultado escalar. Generalmente está entre esos dos y es probablemente el menos susceptible a los errores de redondeo.
Versión flotante : invocable como float meanmean_float_avx(__m128);con el valor arg y return en xmm0. (Por lo tanto, x86-64 System V o Windows x64 vectorcall, pero no x64 fastcall). O declare el tipo de retorno __m128para que pueda obtener la media cuadrática y armónica para la prueba.
Dejar que esto tome 2 floatargs separados en xmm0 y xmm1 costaría 1 byte adicional: necesitaríamos un shufpscon un imm8 (en lugar de solo unpcklps xmm0,xmm0) para mezclar y duplicar 2 entradas.
40 address align 32
41 code bytes global meanmean_float_avx
42 meanmean_float_avx:
43 00000000 B9[52000000] mov ecx, .arith_mean ; allows 2-byte call reg, and a base for loading constants
44 00000005 C4E2791861FC vbroadcastss xmm4, [rcx-4] ; float 4.0
45
46 ;; mean(a,b) = mean(a,b,a,b) for all 4 types of mean
47 ;; so we only ever have to do the length=4 case
48 0000000B 0F14C0 unpcklps xmm0,xmm0 ; [b,a] => [b,b,a,a]
49
50 ; do{ ... } while(quadratic - harmonic > threshold);
51 .loop:
52 ;;; XMM3 = geometric mean: not based on addition. (Transform to log would be hard. AVX512ER has exp with 23-bit accuracy, but not log. vgetexp = floor(lofg2(x)), so that's no good.)
53 ;; sqrt once *first*, making magnitudes closer to 1.0 to reduce rounding error. Numbers are all positive so this is safe.
54 ;; both sqrts first was better behaved, I think.
55 0000000E 0F51D8 sqrtps xmm3, xmm0 ; xmm3 = 4th root(x)
56 00000011 F30F16EB movshdup xmm5, xmm3 ; bring odd elements down to even
57 00000015 0F59EB mulps xmm5, xmm3
58 00000018 0F12DD movhlps xmm3, xmm5 ; high half -> low
59 0000001B 0F59DD mulps xmm3, xmm5 ; xmm3[0] = hproduct(sqrt(xmm))
60 ; sqrtps xmm3, xmm3 ; sqrt(hprod(sqrt)) = 4th root(hprod)
61 ; common final step done after interleaving with quadratic mean
62
63 ;;; XMM2 = quadratic mean = max of the means
64 0000001E C5F859E8 vmulps xmm5, xmm0,xmm0
65 00000022 FFD1 call rcx ; arith mean of squares
66 00000024 0F14EB unpcklps xmm5, xmm3 ; [quad^2, geo^2, ?, ?]
67 00000027 0F51D5 sqrtps xmm2, xmm5 ; [quad, geo, ?, ?]
68
69 ;;; XMM1 = harmonic mean = min of the means
70 0000002A C5D85EE8 vdivps xmm5, xmm4, xmm0 ; 4/x
71 0000002E FFD1 call rcx ; arithmetic mean (under inversion)
72 00000030 C5D85ECD vdivps xmm1, xmm4, xmm5 ; 4/. (the factor of 4 cancels out)
73
74 ;;; XMM5 = arithmetic mean
75 00000034 0F28E8 movaps xmm5, xmm0
76 00000037 FFD1 call rcx
77
78 00000039 0F14E9 unpcklps xmm5, xmm1 ; [arith, harm, ?,?]
79 0000003C C5D014C2 vunpcklps xmm0, xmm5,xmm2 ; x = [arith, harm, quad, geo]
80
81 00000040 0F5CD1 subps xmm2, xmm1 ; largest - smallest mean: guaranteed non-negative
82 00000043 0F2E51F8 ucomiss xmm2, [rcx-8] ; quad-harm > convergence_threshold
83 00000047 73C5 jae .loop
84
85 ; return with the arithmetic mean in the low element of xmm0 = scalar return value
86 00000049 C3 ret
87
88 ;;; "constant pool" between the main function and the helper, like ARM literal pools
89 0000004A ACC52738 .fpconst_threshold: dd 4e-5 ; 4.3e-5 is the highest we can go and still pass the main test cases
90 0000004E 00008040 .fpconst_4: dd 4.0
91 .arith_mean: ; returns XMM5 = hsum(xmm5)/4.
92 00000052 C5D37CED vhaddps xmm5, xmm5 ; slow but small
93 00000056 C5D37CED vhaddps xmm5, xmm5
94 0000005A 0F5EEC divps xmm5, xmm4 ; divide before/after summing doesn't matter mathematically or numerically; divisor is a power of 2
95 0000005D C3 ret
96 0000005E 5E000000 .size: dd $ - meanmean_float_avx
0x5e = 94 bytes
(Listado NASM creado con nasm -felf64 mean-mean.asm -l/dev/stdout | cut -b -34,$((34+6))-. Elimine la parte del listado y recupere la fuente con cut -b 34- > mean-mean.asm)
SIMD suma horizontal y dividir por 4 (es decir, media aritmética) se implementa en una función separada que nosotros call(con un puntero de función para amortizar el costo de la dirección). Con 4/xbefore / after, o x^2before y sqrt after, obtenemos la media armónica y la media cuadrática. (Fue doloroso escribir estas divinstrucciones en lugar de multiplicarlo por uno exactamente representable 0.25).
La media geométrica se implementa por separado con sqrt multiplicado y encadenado. O con un sqrt primero para reducir la magnitud del exponente y quizás ayudar a la precisión numérica. el registro no está disponible, solo a floor(log2(x))través de AVX512 vgetexpps/pd. Exp está disponible a través de AVX512ER (solo Xeon Phi), pero con solo 2 ^ -23 de precisión.
Mezclar instrucciones AVX de 128 bits y SSE heredado no es un problema de rendimiento. Mezclar AVX de 256 bits con SSE heredado puede estar en Haswell, pero en Skylake simplemente crea una potencial dependencia falsa para las instrucciones de SSE. Creo que mi doubleversión evita cadenas dep innecesarias transportadas en bucle y cuellos de botella en la latencia / rendimiento div / sqrt.
Versión doble:
108 global meanmean_double_avx
109 meanmean_double_avx:
110 00000080 B9[E8000000] mov ecx, .arith_mean
111 00000085 C4E27D1961F8 vbroadcastsd ymm4, [rcx-8] ; float 4.0
112
113 ;; mean(a,b) = mean(a,b,a,b) for all 4 types of mean
114 ;; so we only ever have to do the length=4 case
115 0000008B C4E37D18C001 vinsertf128 ymm0, ymm0, xmm0, 1 ; [b,a] => [b,a,b,a]
116
117 .loop:
118 ;;; XMM3 = geometric mean: not based on addition.
119 00000091 C5FD51D8 vsqrtpd ymm3, ymm0 ; sqrt first to get magnitude closer to 1.0 for better(?) numerical precision
120 00000095 C4E37D19DD01 vextractf128 xmm5, ymm3, 1 ; extract high lane
121 0000009B C5D159EB vmulpd xmm5, xmm3
122 0000009F 0F12DD movhlps xmm3, xmm5 ; extract high half
123 000000A2 F20F59DD mulsd xmm3, xmm5 ; xmm3 = hproduct(sqrt(xmm0))
124 ; sqrtsd xmm3, xmm3 ; xmm3 = 4th root = geomean(xmm0) ;deferred until quadratic
125
126 ;;; XMM2 = quadratic mean = max of the means
127 000000A6 C5FD59E8 vmulpd ymm5, ymm0,ymm0
128 000000AA FFD1 call rcx ; arith mean of squares
129 000000AC 0F16EB movlhps xmm5, xmm3 ; [quad^2, geo^2]
130 000000AF 660F51D5 sqrtpd xmm2, xmm5 ; [quad , geo]
131
132 ;;; XMM1 = harmonic mean = min of the means
133 000000B3 C5DD5EE8 vdivpd ymm5, ymm4, ymm0 ; 4/x
134 000000B7 FFD1 call rcx ; arithmetic mean under inversion
135 000000B9 C5DB5ECD vdivsd xmm1, xmm4, xmm5 ; 4/. (the factor of 4 cancels out)
136
137 ;;; XMM5 = arithmetic mean
138 000000BD C5FC28E8 vmovaps ymm5, ymm0
139 000000C1 FFD1 call rcx
140
141 000000C3 0F16E9 movlhps xmm5, xmm1 ; [arith, harm]
142 000000C6 C4E35518C201 vinsertf128 ymm0, ymm5, xmm2, 1 ; x = [arith, harm, quad, geo]
143
144 000000CC C5EB5CD1 vsubsd xmm2, xmm1 ; largest - smallest mean: guaranteed non-negative
145 000000D0 660F2E51F0 ucomisd xmm2, [rcx-16] ; quad - harm > threshold
146 000000D5 77BA ja .loop
147
148 ; vzeroupper ; not needed for correctness, only performance
149 ; return with the arithmetic mean in the low element of xmm0 = scalar return value
150 000000D7 C3 ret
151
152 ; "literal pool" between the function
153 000000D8 95D626E80B2E113E .fpconst_threshold: dq 1e-9
154 000000E0 0000000000001040 .fpconst_4: dq 4.0 ; TODO: golf these zeros? vpbroadcastb and convert?
155 .arith_mean: ; returns YMM5 = hsum(ymm5)/4.
156 000000E8 C4E37D19EF01 vextractf128 xmm7, ymm5, 1
157 000000EE C5D158EF vaddpd xmm5, xmm7
158 000000F2 C5D17CED vhaddpd xmm5, xmm5 ; slow but small
159 000000F6 C5D35EEC vdivsd xmm5, xmm4 ; only low element matters
160 000000FA C3 ret
161 000000FB 7B000000 .size: dd $ - meanmean_double_avx
0x7b = 123 bytes
Arnés de prueba C
#include <immintrin.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
static const struct ab_avg {
double a,b;
double mean;
} testcases[] = {
{1, 1, 1},
{1, 2, 1.45568889},
{100, 200, 145.568889},
{2.71, 3.14, 2.92103713},
{0.57, 1.78, 1.0848205},
{1.61, 2.41, 1.98965438},
{0.01, 100, 6.7483058},
};
// see asm comments for order of arith, harm, quad, geo
__m128 meanmean_float_avx(__m128); // or float ...
__m256d meanmean_double_avx(__m128d); // or double ...
int main(void) {
int len = sizeof(testcases) / sizeof(testcases[0]);
for(int i=0 ; i<len ; i++) {
const struct ab_avg *p = &testcases[i];
#if 1
__m128 arg = _mm_set_ps(0,0, p->b, p->a);
double res = meanmean_float_avx(arg)[0];
#else
__m128d arg = _mm_loadu_pd(&p->a);
double res = meanmean_double_avx(arg)[0];
#endif
double allowed_diff = (p->b - p->a) / 100000.0;
double delta = fabs(p->mean - res);
if (delta > 1e-3 || delta > allowed_diff) {
printf("%f %f => %.9f but we got %.9f. delta = %g allowed=%g\n",
p->a, p->b, p->mean, res, p->mean - res, allowed_diff);
}
}
while(1) {
double a = drand48(), b = drand48(); // range= [0..1)
if (a>b) {
double tmp=a;
a=b;
b=tmp; // sorted
}
// a *= 0.00000001;
// b *= 123156;
// a += 1<<11; b += (1<<12)+1; // float version gets stuck inflooping on 2048.04, 4097.18 at fpthreshold = 4e-5
// a *= 1<<11 ; b *= 1<<11; // scaling to large magnitude makes sum of squares loses more precision
//a += 1<<11; b+= 1<<11; // adding to large magnitude is hard for everything, catastrophic cancellation
#if 1
printf("testing float %g, %g\n", a, b);
__m128 arg = _mm_set_ps(0,0, b, a);
__m128 res = meanmean_float_avx(arg);
double quad = res[2], harm = res[1]; // same order as double... for now
#else
printf("testing double %g, %g\n", a, b);
__m128d arg = _mm_set_pd(b, a);
__m256d res = meanmean_double_avx(arg);
double quad = res[2], harm = res[1];
#endif
double delta = fabs(quad - harm);
double allowed_diff = (b - a) / 100000.0; // calculated in double even for the float case.
// TODO: use the double res as a reference for float res
// instead of just checking quadratic vs. harmonic mean
if (delta > 1e-3 || delta > allowed_diff) {
printf("%g %g we got q=%g, h=%g, a=%g. delta = %g, allowed=%g\n",
a, b, quad, harm, res[0], quad-harm, allowed_diff);
}
}
}
Construir con:
nasm -felf64 mean-mean.asm &&
gcc -no-pie -fno-pie -g -O2 -march=native mean-mean.c mean-mean.o
Obviamente necesita una CPU con soporte AVX, o un emulador como Intel SDE. Para compilar en un host sin soporte AVX nativo, use -march=sandybridgeo-mavx
Ejecutar: pasa los casos de prueba codificados, pero para la versión flotante, los casos de prueba aleatorios a menudo fallan el (b-a)/10000umbral establecido en la pregunta.
$ ./a.out
(note: empty output before the first "testing float" means clean pass on the constant test cases)
testing float 3.90799e-14, 0.000985395
3.90799e-14 0.000985395 we got q=3.20062e-10, h=3.58723e-05, a=2.50934e-05. delta = -3.5872e-05, allowed=9.85395e-09
testing float 0.041631, 0.176643
testing float 0.0913306, 0.364602
testing float 0.0922976, 0.487217
testing float 0.454433, 0.52675
0.454433 0.52675 we got q=0.48992, h=0.489927, a=0.489925. delta = -6.79493e-06, allowed=7.23169e-07
testing float 0.233178, 0.831292
testing float 0.56806, 0.931731
testing float 0.0508319, 0.556094
testing float 0.0189148, 0.767051
0.0189148 0.767051 we got q=0.210471, h=0.210484, a=0.21048. delta = -1.37389e-05, allowed=7.48136e-06
testing float 0.25236, 0.298197
0.25236 0.298197 we got q=0.274796, h=0.274803, a=0.274801. delta = -6.19888e-06, allowed=4.58374e-07
testing float 0.531557, 0.875981
testing float 0.515431, 0.920261
testing float 0.18842, 0.810429
testing float 0.570614, 0.886314
testing float 0.0767746, 0.815274
testing float 0.118352, 0.984891
0.118352 0.984891 we got q=0.427845, h=0.427872, a=0.427863. delta = -2.66135e-05, allowed=8.66539e-06
testing float 0.784484, 0.893906
0.784484 0.893906 we got q=0.838297, h=0.838304, a=0.838302. delta = -7.09295e-06, allowed=1.09422e-06
Los errores de FP son suficientes para que el daño cuádruple sea menor que cero para algunas entradas.
O con sin a += 1<<11; b += (1<<12)+1;comentar:
testing float 2048, 4097
testing float 2048.04, 4097.18
^C (stuck in an infinite loop).
Ninguno de estos problemas ocurre double. Comente printfantes de cada prueba para ver que la salida está vacía (nada del if(delta too high)bloque).
TODO: use la doubleversión como referencia para la floatversión, en lugar de solo mirar cómo convergen con quad-harm.