VS：_BitScanReverse64固有的意外优化行为

Question

以下代码在调试模式下可以正常工作，因为_BitScanReverse64被定义为在未设置Bit的情况下返回0。 引用MSDN ：（返回值为）“如果设置了索引，则为非零；如果未找到设置位，则为0”。

如果我以发布模式编译此代码，它仍然可以工作，但是如果启用了编译器优化（例如\\ O1或\\ O2），则索引不为零，并且assert()失败。

#include <iostream>
#include <cassert>

using namespace std;

int main()
{
  unsigned long index = 0;
  _BitScanReverse64(&index, 0x0ull);

  cout << index << endl;

  assert(index == 0);

  return 0;
}

这是预期的行为吗？ 我正在使用Visual Studio Community 2015，版本14.0.25431.01更新3。（我留了cout，以便在优化过程中不删除变量索引）。 还有一种有效的解决方法，还是我不应该直接使用此内在编译器？

Answer 1

AFAICT， 当输入为零时 ， 内在函数在index留下垃圾，比asm指令的行为弱。 这就是为什么它具有单独的布尔返回值和整数输出操作数的原因。

尽管index arg被引用，编译器仍将其视为仅输出。

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unsigned char _BitScanReverse64 (unsigned __int32* index, unsigned __int64 mask)
英特尔针对相同内在函数的内在函数指南文档似乎比您链接的Microsoft文档更清晰，并且为MS文档试图说的内容提供了一些启示。 但是仔细阅读后，他们似乎都说了同样的话，并在bsr指令周围描述了一个薄包装。

当输入为0时， Intel将BSR指令记录为产生“未定义的值”，但在这种情况下设置ZF。 但是，AMD记录为目标不变：

AMD的BSF在AMD64体系结构程序员手册第3卷：通用和系统说明中的 条目

...如果第二个操作数包含0，则指令将ZF设置为1，并且不更改目标寄存器的内容。 ...

在当前的Intel硬件上，实际行为与AMD的文档相符：当src操作数为0时，目标寄存器保持不变。这也许就是为什么MS将其描述为仅在输入为非零时设置Index （并且内部函数的返回值为非零）。

在Intel（ 但可能不是AMD ）上，这甚至不会将64位寄存器截断为32位。 例如mov rax,-1 ; bsf eax, ecx （ECX为零）离开RAX = -1（64位），而不是从xor eax, 0获得的0x00000000ffffffff 。 但是对于非零ECX， bsf eax, ecx具有零扩展到RAX的通常效果，例如留下RAX = 3。

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IDK为什么英特尔仍未对此进行记录。 也许真正的旧x86 CPU（例如原始386？）以不同的方式实现它？ 英特尔和AMD经常超越x86手册中记录的内容，以免破坏现有的广泛使用的代码（例如Windows） ，这可能就是这样开始的。

在这一点上，英特尔似乎不太可能会放弃对输出的依赖性，并让实际的垃圾或输入== 0时为-1或32，但是缺少文档使该选项处于打开状态。

SKYLAKE微架构放弃了假依赖于lzcnt和tzcnt （和稍后的uarch下降虚假DEP的popcnt ），同时仍然保留依赖bsr / bsf 。 （ 为什么破坏LZCNT的“输出依赖性”很重要？ ）

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当然，由于MSVC优化了index = 0初始化，因此大概只使用它想要的任何目标寄存器，而不必使用保存C变量先前值的寄存器。 因此，即使您愿意，我也不认为您可以利用未经修改的dst行为，即使AMD对此有保证。

因此，以C ++术语来说，内在函数对index没有输入依赖性 。 但是在asm中，该指令确实对dst寄存器具有输入依赖性，就像add dst, src指令一样。 如果编译器不小心，可能会导致意外的性能问题。

不幸的是，在Intel硬件上 ，即使结果从不依赖于popcnt / lzcnt / tzcnt asm指令，它们也对目标地址有错误的依赖 。 不过，编译器现在已经知道了，因此可以解决此问题，因此，在使用内部函数时，您不必担心它（除非您拥有超过两年的编译器，因为它是最近才发现的）。

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您需要检查它以确保index有效，除非您知道输入为非零。 例如

if(_BitScanReverse64(&idx, input)) {
    // idx is valid.
    // (MS docs say "Index was set")
} else {
    // input was zero, idx holds garbage.
    // (MS docs don't say Index was even set)
    idx = -1;     // might make sense, one lower than the result for bsr(1)
}

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如果要避免执行此额外的检查分支，那么如果您要瞄准足够新的硬件（例如Intel Haswell或AMD Bulldozer IIRC），则可以通过不同的内在函数使用lzcnt指令 。 即使输入全零，它也“起作用”，并且实际上计数前导零而不是返回最高设置位的索引。