为什么 gcc 仅在 SS/SD 指令中使用较低值时不将 XMM 寄存器的较高值归零？

Question

例如用这样的 function，

int fb(char a, char b, char c, char d) {
    return (a + b) - (c + d);
}

gcc的总成 output 是，

fb:
        movsx   esi, sil
        movsx   edi, dil
        movsx   ecx, cl
        movsx   edx, dl
        add     edi, esi
        add     edx, ecx
        mov     eax, edi
        sub     eax, edx
        ret

含糊地，我知道movsx的目的是从寄存器的先前值中删除依赖关系，但老实说，我仍然不明白它试图删除什么样的依赖关系。 我的意思是，例如，是否存在movsx esi, sil ，如果某个值被写入esi ，那么使用esi的任何操作都必须等待，如果从esi读取值，任何修改值的操作esi将不得不等待，如果esi没有被任何操作使用，代码将继续运行。 movsx有什么不同？ 我不能说编译器做错了，因为movsx或movzx （几乎？）在加载小于 32 位的值时总是由任何编译器生成。

除了我缺乏理解之外， gcc的行为与float不同。

float ff(float a, float b, float c, float d) {
    return (a + b) - (c + d);
}

编译为，

ff:
        addss   xmm0, xmm1
        addss   xmm2, xmm3
        subss   xmm0, xmm2
        ret

如果应用相同的逻辑，我相信 output 应该是这样的，

ff:
        movd    xmm0, xmm0
        movd    xmm1, xmm1
        movd    xmm2, xmm2
        movd    xmm3, xmm3
        addss   xmm0, xmm1
        addss   xmm2, xmm3
        subss   xmm0, xmm2
        ret

所以我实际上是在问两个问题。

1. 为什么gcc的行为与float不同？
2. movsx有什么不同？

Answer 1

1. 返回值与 args 的宽度相同，因此不需要扩展。 在 x86 和 x86-64 调用约定中，允许类型宽度之外的寄存器部分保存垃圾。 （这适用于 GP integer 和向量寄存器。）

   除了 clang 依赖的未记录扩展外，调用者将窄参数扩展到 32 位； clang 将跳过您的char示例中的movsx指令。 https://godbolt.org/z/Gv5e4h3Eh

   向 x86-64 ABI 的指针添加 32 位偏移时是否需要符号或零扩展？ 涵盖了高垃圾和调用约定的非官方扩展。

   由于您询问了错误依赖项，请注意编译器确实使用movaps xmm,xmm来复制标量。 （例如，在(ab) + (ad)中 GCC 错过的优化中，我们需要从a中减去两次。它是不可交换的，所以我们需要一个副本： https://godbolt.org/z/Tvx19raa3

2. C integer 提升规则意味着窄输入的a+b等价于(int)a + (int)b 。 在所有 x86 / x86-64 ABI 中， char是有符号类型（例如，与 ARM 不同），因此需要将其符号扩展为int宽度，而不是零扩展。 并且绝对不会被截断。

   如果您通过返回char再次截断结果，编译器可以只做 8 位加法。 但实际上他们将使用 32 位添加并在那里留下任何高垃圾： https://godbolt.org/z/hGdbecPqv 。 这样做不是为了破坏/性能，只是为了正确。

   就性能而言，如果调用者编写了完整的寄存器（调用约定的非官方扩展无论如何都需要），或者在不单独重命名低 8 的 CPU 上，GCC 读取char的 32 位 reg 的行为很好来自 reg 的 rest （除 P6 系列之外的所有内容：SnB 系列仅重命名高 8 regs，除了原始 Sandybridge 本身。 为什么 GCC 不使用部分寄存器？ ）

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PS：没有像movd xmm0, xmm0这样的指令，只有一种不同形式的movq xmm0, xmm0 ，可以将 XMM 寄存器的低 64 位零扩展为完整的寄存器。

如果您想查看各种编译器尝试对低 dword 进行零扩展，无论是否使用 SSE4.1 insertps ，请查看 asm for __m128 foo(float f) { return _mm_set_ss(f); } __m128 foo(float f) { return _mm_set_ss(f); }在上面的 Godbolt 链接中。 例如，仅使用 SSE2，使用 pxor 将寄存器归零，然后movss xmm1, xmm0 。 否则， insertps或 xor-zero 和blendps 。