]> git.ipfire.org Git - thirdparty/linux.git/commitdiff
lib: mul_u64_u64_div_u64(): optimise the divide code
authorDavid Laight <david.laight.linux@gmail.com>
Wed, 5 Nov 2025 20:10:34 +0000 (20:10 +0000)
committerAndrew Morton <akpm@linux-foundation.org>
Thu, 20 Nov 2025 22:03:42 +0000 (14:03 -0800)
Replace the bit by bit algorithm with one that generates 16 bits per
iteration on 32bit architectures and 32 bits on 64bit ones.

On my zen 5 this reduces the time for the tests (using the generic code)
from ~3350ns to ~1000ns.

Running the 32bit algorithm on 64bit x86 takes ~1500ns.  It'll be slightly
slower on a real 32bit system, mostly due to register pressure.

The savings for 32bit x86 are much higher (tested in userspace).  The
worst case (lots of bits in the quotient) drops from ~900 clocks to ~130
(pretty much independant of the arguments).  Other 32bit architectures may
see better savings.

It is possibly to optimise for divisors that span less than
__LONG_WIDTH__/2 bits.  However I suspect they don't happen that often and
it doesn't remove any slow cpu divide instructions which dominate the
result.

Typical improvements for 64bit random divides:
               old     new
sandy bridge:  470     150
haswell:       400     144
piledriver:    960     467   I think rdpmc is very slow.
zen5:          244      80
(Timing is 'rdpmc; mul_div(); rdpmc' with the multiply depending on the
first rdpmc and the second rdpmc depending on the quotient.)

Object code (64bit x86 test program): old 0x173 new 0x141.

Link: https://lkml.kernel.org/r/20251105201035.64043-9-david.laight.linux@gmail.com
Signed-off-by: David Laight <david.laight.linux@gmail.com>
Reviewed-by: Nicolas Pitre <npitre@baylibre.com>
Cc: Biju Das <biju.das.jz@bp.renesas.com>
Cc: Borislav Betkov <bp@alien8.de>
Cc: "H. Peter Anvin" <hpa@zytor.com>
Cc: Ingo Molnar <mingo@redhat.com>
Cc: Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
Cc: Li RongQing <lirongqing@baidu.com>
Cc: Oleg Nesterov <oleg@redhat.com>
Cc: Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
Cc: Thomas Gleinxer <tglx@linutronix.de>
Cc: Uwe Kleine-König <u.kleine-koenig@baylibre.com>
Signed-off-by: Andrew Morton <akpm@linux-foundation.org>
lib/math/div64.c

index bb57a48ce36ad6c3deedb2be94264f4d3155e32e..d1e92ea24fce569348f1052bf0318aa394161e9f 100644 (file)
@@ -190,7 +190,6 @@ EXPORT_SYMBOL(iter_div_u64_rem);
 #define mul_add(a, b, c) add_u64_u32(mul_u32_u32(a, b), c)
 
 #if defined(__SIZEOF_INT128__) && !defined(test_mul_u64_add_u64_div_u64)
-
 static inline u64 mul_u64_u64_add_u64(u64 *p_lo, u64 a, u64 b, u64 c)
 {
        /* native 64x64=128 bits multiplication */
@@ -199,9 +198,7 @@ static inline u64 mul_u64_u64_add_u64(u64 *p_lo, u64 a, u64 b, u64 c)
        *p_lo = prod;
        return prod >> 64;
 }
-
 #else
-
 static inline u64 mul_u64_u64_add_u64(u64 *p_lo, u64 a, u64 b, u64 c)
 {
        /* perform a 64x64=128 bits multiplication in 32bit chunks */
@@ -216,12 +213,37 @@ static inline u64 mul_u64_u64_add_u64(u64 *p_lo, u64 a, u64 b, u64 c)
        *p_lo = (y << 32) + (u32)x;
        return add_u64_u32(z, y >> 32);
 }
+#endif
+
+#ifndef BITS_PER_ITER
+#define BITS_PER_ITER (__LONG_WIDTH__ >= 64 ? 32 : 16)
+#endif
+
+#if BITS_PER_ITER == 32
+#define mul_u64_long_add_u64(p_lo, a, b, c) mul_u64_u64_add_u64(p_lo, a, b, c)
+#define add_u64_long(a, b) ((a) + (b))
+#else
+#undef BITS_PER_ITER
+#define BITS_PER_ITER 16
+static inline u32 mul_u64_long_add_u64(u64 *p_lo, u64 a, u32 b, u64 c)
+{
+       u64 n_lo = mul_add(a, b, c);
+       u64 n_med = mul_add(a >> 32, b, c >> 32);
+
+       n_med = add_u64_u32(n_med, n_lo >> 32);
+       *p_lo = n_med << 32 | (u32)n_lo;
+       return n_med >> 32;
+}
 
+#define add_u64_long(a, b) add_u64_u32(a, b)
 #endif
 
 u64 mul_u64_add_u64_div_u64(u64 a, u64 b, u64 c, u64 d)
 {
-       u64 n_lo, n_hi;
+       unsigned long d_msig, q_digit;
+       unsigned int reps, d_z_hi;
+       u64 quotient, n_lo, n_hi;
+       u32 overflow;
 
        n_hi = mul_u64_u64_add_u64(&n_lo, a, b, c);
 
@@ -240,46 +262,70 @@ u64 mul_u64_add_u64_div_u64(u64 a, u64 b, u64 c, u64 d)
                return ~0ULL;
        }
 
-       int shift = __builtin_ctzll(d);
-
-       /* try reducing the fraction in case the dividend becomes <= 64 bits */
-       if ((n_hi >> shift) == 0) {
-               u64 n = shift ? (n_lo >> shift) | (n_hi << (64 - shift)) : n_lo;
-
-               return div64_u64(n, d >> shift);
-               /*
-                * The remainder value if needed would be:
-                *   res = div64_u64_rem(n, d >> shift, &rem);
-                *   rem = (rem << shift) + (n_lo - (n << shift));
-                */
+       /* Left align the divisor, shifting the dividend to match */
+       d_z_hi = __builtin_clzll(d);
+       if (d_z_hi) {
+               d <<= d_z_hi;
+               n_hi = n_hi << d_z_hi | n_lo >> (64 - d_z_hi);
+               n_lo <<= d_z_hi;
        }
 
-       /* Do the full 128 by 64 bits division */
-
-       shift = __builtin_clzll(d);
-       d <<= shift;
-
-       int p = 64 + shift;
-       u64 res = 0;
-       bool carry;
+       reps = 64 / BITS_PER_ITER;
+       /* Optimise loop count for small dividends */
+       if (!(u32)(n_hi >> 32)) {
+               reps -= 32 / BITS_PER_ITER;
+               n_hi = n_hi << 32 | n_lo >> 32;
+               n_lo <<= 32;
+       }
+#if BITS_PER_ITER == 16
+       if (!(u32)(n_hi >> 48)) {
+               reps--;
+               n_hi = add_u64_u32(n_hi << 16, n_lo >> 48);
+               n_lo <<= 16;
+       }
+#endif
 
-       do {
-               carry = n_hi >> 63;
-               shift = carry ? 1 : __builtin_clzll(n_hi);
-               if (p < shift)
-                       break;
-               p -= shift;
-               n_hi <<= shift;
-               n_hi |= n_lo >> (64 - shift);
-               n_lo <<= shift;
-               if (carry || (n_hi >= d)) {
-                       n_hi -= d;
-                       res |= 1ULL << p;
+       /* Invert the dividend so we can use add instead of subtract. */
+       n_lo = ~n_lo;
+       n_hi = ~n_hi;
+
+       /*
+        * Get the most significant BITS_PER_ITER bits of the divisor.
+        * This is used to get a low 'guestimate' of the quotient digit.
+        */
+       d_msig = (d >> (64 - BITS_PER_ITER)) + 1;
+
+       /*
+        * Now do a 'long division' with BITS_PER_ITER bit 'digits'.
+        * The 'guess' quotient digit can be low and BITS_PER_ITER+1 bits.
+        * The worst case is dividing ~0 by 0x8000 which requires two subtracts.
+        */
+       quotient = 0;
+       while (reps--) {
+               q_digit = (unsigned long)(~n_hi >> (64 - 2 * BITS_PER_ITER)) / d_msig;
+               /* Shift 'n' left to align with the product q_digit * d */
+               overflow = n_hi >> (64 - BITS_PER_ITER);
+               n_hi = add_u64_u32(n_hi << BITS_PER_ITER, n_lo >> (64 - BITS_PER_ITER));
+               n_lo <<= BITS_PER_ITER;
+               /* Add product to negated divisor */
+               overflow += mul_u64_long_add_u64(&n_hi, d, q_digit, n_hi);
+               /* Adjust for the q_digit 'guestimate' being low */
+               while (overflow < 0xffffffff >> (32 - BITS_PER_ITER)) {
+                       q_digit++;
+                       n_hi += d;
+                       overflow += n_hi < d;
                }
-       } while (n_hi);
-       /* The remainder value if needed would be n_hi << p */
+               quotient = add_u64_long(quotient << BITS_PER_ITER, q_digit);
+       }
 
-       return res;
+       /*
+        * The above only ensures the remainder doesn't overflow,
+        * it can still be possible to add (aka subtract) another copy
+        * of the divisor.
+        */
+       if ((n_hi + d) > n_hi)
+               quotient++;
+       return quotient;
 }
 #if !defined(test_mul_u64_add_u64_div_u64)
 EXPORT_SYMBOL(mul_u64_add_u64_div_u64);