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x86: Optimize memset-vec-unaligned-erms.S
authorNoah Goldstein <goldstein.w.n@gmail.com>
Mon, 20 Sep 2021 21:20:15 +0000 (16:20 -0500)
committerNoah Goldstein <goldstein.w.n@gmail.com>
Tue, 12 Oct 2021 18:38:02 +0000 (13:38 -0500)
No bug.

Optimization are

1. change control flow for L(more_2x_vec) to fall through to loop and
   jump for L(less_4x_vec) and L(less_8x_vec). This uses less code
   size and saves jumps for length > 4x VEC_SIZE.

2. For EVEX/AVX512 move L(less_vec) closer to entry.

3. Avoid complex address mode for length > 2x VEC_SIZE

4. Slightly better aligning code for the loop from the perspective of
   code size and uops.

5. Align targets so they make full use of their fetch block and if
   possible cache line.

6. Try and reduce total number of icache lines that will need to be
   pulled in for a given length.

7. Include "local" version of stosb target. For AVX2/EVEX/AVX512
   jumping to the stosb target in the sse2 code section will almost
   certainly be to a new page. The new version does increase code size
   marginally by duplicating the target but should get better iTLB
   behavior as a result.

test-memset, test-wmemset, and test-bzero are all passing.

Signed-off-by: Noah Goldstein <goldstein.w.n@gmail.com>
Reviewed-by: H.J. Lu <hjl.tools@gmail.com>
sysdeps/x86_64/memset.S
sysdeps/x86_64/multiarch/memset-avx2-unaligned-erms.S
sysdeps/x86_64/multiarch/memset-avx512-unaligned-erms.S
sysdeps/x86_64/multiarch/memset-evex-unaligned-erms.S
sysdeps/x86_64/multiarch/memset-vec-unaligned-erms.S

index 7d4a327eba29ecb4345cd4a99c0caf15d81c96f3..0137eba4cdd9f83017797b3e2c02be2a66626d73 100644 (file)
    <https://www.gnu.org/licenses/>.  */
 
 #include <sysdep.h>
+#define USE_WITH_SSE2  1
 
 #define VEC_SIZE       16
+#define MOV_SIZE       3
+#define RET_SIZE       1
+
 #define VEC(i)         xmm##i
-/* Don't use movups and movaps since it will get larger nop paddings for
-   alignment.  */
-#define VMOVU          movdqu
-#define VMOVA          movdqa
+#define VMOVU     movups
+#define VMOVA     movaps
 
 #define MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN(d, r) \
   movd d, %xmm0; \
index ae0860f36a47d5941456e5138b11544ad9540dbf..1af668af0aeda59ee2d7740b875881f6fc24e98f 100644 (file)
@@ -1,8 +1,14 @@
 #if IS_IN (libc)
+# define USE_WITH_AVX2 1
+
 # define VEC_SIZE      32
+# define MOV_SIZE      4
+# define RET_SIZE      4
+
 # define VEC(i)                ymm##i
-# define VMOVU         vmovdqu
-# define VMOVA         vmovdqa
+
+# define VMOVU     vmovdqu
+# define VMOVA     vmovdqa
 
 # define MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN(d, r) \
   vmovd d, %xmm0; \
index 8ad842fc2f140527159b779e056153de630a6a63..f14d6f8493c21a360d613f61d6a4745c0cbfd0a8 100644 (file)
@@ -1,11 +1,18 @@
 #if IS_IN (libc)
+# define USE_WITH_AVX512       1
+
 # define VEC_SIZE      64
+# define MOV_SIZE      6
+# define RET_SIZE      1
+
 # define XMM0          xmm16
 # define YMM0          ymm16
 # define VEC0          zmm16
 # define VEC(i)                VEC##i
-# define VMOVU         vmovdqu64
-# define VMOVA         vmovdqa64
+
+# define VMOVU     vmovdqu64
+# define VMOVA     vmovdqa64
+
 # define VZEROUPPER
 
 # define MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN(d, r) \
index 640f092903302ad0870288a5377d8970837a2d16..64b09e77cc20cc42c1ebd2b61cbd674b0ca26e5d 100644 (file)
@@ -1,11 +1,18 @@
 #if IS_IN (libc)
+# define USE_WITH_EVEX 1
+
 # define VEC_SIZE      32
+# define MOV_SIZE      6
+# define RET_SIZE      1
+
 # define XMM0          xmm16
 # define YMM0          ymm16
 # define VEC0          ymm16
 # define VEC(i)                VEC##i
-# define VMOVU         vmovdqu64
-# define VMOVA         vmovdqa64
+
+# define VMOVU     vmovdqu64
+# define VMOVA     vmovdqa64
+
 # define VZEROUPPER
 
 # define MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN(d, r) \
index ff196844a093dc3b0c6dc3089d3af3c30f39e7ae..e723413a664c088f445e15d131a7bcffd95d7ccb 100644 (file)
 # endif
 #endif
 
+#if VEC_SIZE == 64
+# define LOOP_4X_OFFSET        (VEC_SIZE * 4)
+#else
+# define LOOP_4X_OFFSET        (0)
+#endif
+
+#if defined USE_WITH_EVEX || defined USE_WITH_AVX512
+# define END_REG       rcx
+# define LOOP_REG      rdi
+#else
+# define END_REG       rdi
+# define LOOP_REG      rdx
+#endif
+
 #define PAGE_SIZE 4096
 
+/* Macro to calculate size of small memset block for aligning
+   purposes.  */
+#define SMALL_MEMSET_ALIGN(mov_sz,     ret_sz) (2 * (mov_sz) + (ret_sz) + 1)
+
+
 #ifndef SECTION
 # error SECTION is not defined!
 #endif
@@ -74,6 +93,7 @@
 ENTRY (__bzero)
        mov     %RDI_LP, %RAX_LP /* Set return value.  */
        mov     %RSI_LP, %RDX_LP /* Set n.  */
+       xorl    %esi, %esi
        pxor    %XMM0, %XMM0
        jmp     L(entry_from_bzero)
 END (__bzero)
@@ -158,7 +178,7 @@ ENTRY_CHK (MEMSET_CHK_SYMBOL (__memset_chk, unaligned_erms))
 END_CHK (MEMSET_CHK_SYMBOL (__memset_chk, unaligned_erms))
 # endif
 
-ENTRY (MEMSET_SYMBOL (__memset, unaligned_erms))
+ENTRY_P2ALIGN (MEMSET_SYMBOL (__memset, unaligned_erms), 6)
        MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN (%esi, %rdi)
 # ifdef __ILP32__
        /* Clear the upper 32 bits.  */
@@ -168,75 +188,43 @@ ENTRY (MEMSET_SYMBOL (__memset, unaligned_erms))
        jb      L(less_vec)
        cmp     $(VEC_SIZE * 2), %RDX_LP
        ja      L(stosb_more_2x_vec)
-       /* From VEC and to 2 * VEC.  No branch when size == VEC_SIZE.  */
-       VMOVU   %VEC(0), -VEC_SIZE(%rdi,%rdx)
-       VMOVU   %VEC(0), (%rdi)
+       /* From VEC and to 2 * VEC.  No branch when size == VEC_SIZE.
+        */
+       VMOVU   %VEC(0), (%rax)
+       VMOVU   %VEC(0), -VEC_SIZE(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
-
-       .p2align 4
-L(stosb_more_2x_vec):
-       cmp     __x86_rep_stosb_threshold(%rip), %RDX_LP
-       ja      L(stosb)
-#else
-       .p2align 4
 #endif
-L(more_2x_vec):
-       /* Stores to first 2x VEC before cmp as any path forward will
-          require it.  */
-       VMOVU   %VEC(0), (%rdi)
-       VMOVU   %VEC(0), VEC_SIZE(%rdi)
-       cmpq    $(VEC_SIZE * 4), %rdx
-       ja      L(loop_start)
-       VMOVU   %VEC(0), -(VEC_SIZE * 2)(%rdi,%rdx)
-       VMOVU   %VEC(0), -VEC_SIZE(%rdi,%rdx)
-L(return):
-#if VEC_SIZE > 16
-       ZERO_UPPER_VEC_REGISTERS_RETURN
+
+       .p2align 4,, 10
+L(last_2x_vec):
+#ifdef USE_LESS_VEC_MASK_STORE
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2 + LOOP_4X_OFFSET)(%rcx)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3 + LOOP_4X_OFFSET)(%rcx)
 #else
-       ret
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * -2)(%rdi)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * -1)(%rdi)
 #endif
+       VZEROUPPER_RETURN
 
-L(loop_start):
-       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2)(%rdi)
-       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3)(%rdi)
-       cmpq    $(VEC_SIZE * 8), %rdx
-       jbe     L(loop_end)
-       andq    $-(VEC_SIZE * 2), %rdi
-       subq    $-(VEC_SIZE * 4), %rdi
-       leaq    -(VEC_SIZE * 4)(%rax, %rdx), %rcx
-       .p2align 4
-L(loop):
-       VMOVA   %VEC(0), (%rdi)
-       VMOVA   %VEC(0), VEC_SIZE(%rdi)
-       VMOVA   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2)(%rdi)
-       VMOVA   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3)(%rdi)
-       subq    $-(VEC_SIZE * 4), %rdi
-       cmpq    %rcx, %rdi
-       jb      L(loop)
-L(loop_end):
-       /* NB: rax is set as ptr in MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN.
-              rdx as length is also unchanged.  */
-       VMOVU   %VEC(0), -(VEC_SIZE * 4)(%rax, %rdx)
-       VMOVU   %VEC(0), -(VEC_SIZE * 3)(%rax, %rdx)
-       VMOVU   %VEC(0), -(VEC_SIZE * 2)(%rax, %rdx)
-       VMOVU   %VEC(0), -VEC_SIZE(%rax, %rdx)
-       VZEROUPPER_SHORT_RETURN
-
-       .p2align 4
+       /* If have AVX512 mask instructions put L(less_vec) close to
+          entry as it doesn't take much space and is likely a hot target.
+        */
+#ifdef USE_LESS_VEC_MASK_STORE
+       .p2align 4,, 10
 L(less_vec):
        /* Less than 1 VEC.  */
 # if VEC_SIZE != 16 && VEC_SIZE != 32 && VEC_SIZE != 64
 #  error Unsupported VEC_SIZE!
 # endif
-# ifdef USE_LESS_VEC_MASK_STORE
        /* Clear high bits from edi. Only keeping bits relevant to page
           cross check. Note that we are using rax which is set in
-          MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN as ptr from here on out.
-        */
+          MEMSET_VDUP_TO_VEC0_AND_SET_RETURN as ptr from here on out.  */
        andl    $(PAGE_SIZE - 1), %edi
-       /* Check if VEC_SIZE store cross page. Mask stores suffer serious
-          performance degradation when it has to fault supress.  */
+       /* Check if VEC_SIZE store cross page. Mask stores suffer
+          serious performance degradation when it has to fault supress.
+        */
        cmpl    $(PAGE_SIZE - VEC_SIZE), %edi
+       /* This is generally considered a cold target.  */
        ja      L(cross_page)
 # if VEC_SIZE > 32
        movq    $-1, %rcx
@@ -247,58 +235,185 @@ L(less_vec):
        bzhil   %edx, %ecx, %ecx
        kmovd   %ecx, %k1
 # endif
-       vmovdqu8        %VEC(0), (%rax) {%k1}
+       vmovdqu8 %VEC(0), (%rax){%k1}
        VZEROUPPER_RETURN
 
+# if defined USE_MULTIARCH && IS_IN (libc)
+       /* Include L(stosb_local) here if including L(less_vec) between
+          L(stosb_more_2x_vec) and ENTRY. This is to cache align the
+          L(stosb_more_2x_vec) target.  */
+       .p2align 4,, 10
+L(stosb_local):
+       movzbl  %sil, %eax
+       mov     %RDX_LP, %RCX_LP
+       mov     %RDI_LP, %RDX_LP
+       rep     stosb
+       mov     %RDX_LP, %RAX_LP
+       VZEROUPPER_RETURN
+# endif
+#endif
+
+#if defined USE_MULTIARCH && IS_IN (libc)
        .p2align 4
-L(cross_page):
+L(stosb_more_2x_vec):
+       cmp     __x86_rep_stosb_threshold(%rip), %RDX_LP
+       ja      L(stosb_local)
+#endif
+       /* Fallthrough goes to L(loop_4x_vec). Tests for memset (2x, 4x]
+          and (4x, 8x] jump to target.  */
+L(more_2x_vec):
+
+       /* Two different methods of setting up pointers / compare. The
+          two methods are based on the fact that EVEX/AVX512 mov
+          instructions take more bytes then AVX2/SSE2 mov instructions. As
+          well that EVEX/AVX512 machines also have fast LEA_BID. Both
+          setup and END_REG to avoid complex address mode. For EVEX/AVX512
+          this saves code size and keeps a few targets in one fetch block.
+          For AVX2/SSE2 this helps prevent AGU bottlenecks.  */
+#if defined USE_WITH_EVEX || defined USE_WITH_AVX512
+       /* If EVEX/AVX512 compute END_REG - (VEC_SIZE * 4 +
+          LOOP_4X_OFFSET) with LEA_BID.  */
+
+       /* END_REG is rcx for EVEX/AVX512.  */
+       leaq    -(VEC_SIZE * 4 + LOOP_4X_OFFSET)(%rdi, %rdx), %END_REG
+#endif
+
+       /* Stores to first 2x VEC before cmp as any path forward will
+          require it.  */
+       VMOVU   %VEC(0), (%rax)
+       VMOVU   %VEC(0), VEC_SIZE(%rax)
+
+
+#if !(defined USE_WITH_EVEX || defined USE_WITH_AVX512)
+       /* If AVX2/SSE2 compute END_REG (rdi) with ALU.  */
+       addq    %rdx, %END_REG
+#endif
+
+       cmpq    $(VEC_SIZE * 4), %rdx
+       jbe     L(last_2x_vec)
+
+       /* Store next 2x vec regardless.  */
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2)(%rax)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3)(%rax)
+
+
+#if defined USE_WITH_EVEX || defined USE_WITH_AVX512
+       /* If LOOP_4X_OFFSET don't readjust LOOP_REG (rdi), just add
+          extra offset to addresses in loop. Used for AVX512 to save space
+          as no way to get (VEC_SIZE * 4) in imm8.  */
+# if LOOP_4X_OFFSET == 0
+       subq    $-(VEC_SIZE * 4), %LOOP_REG
 # endif
-# if VEC_SIZE > 32
-       cmpb    $32, %dl
-       jae     L(between_32_63)
+       /* Avoid imm32 compare here to save code size.  */
+       cmpq    %rdi, %rcx
+#else
+       addq    $-(VEC_SIZE * 4), %END_REG
+       cmpq    $(VEC_SIZE * 8), %rdx
+#endif
+       jbe     L(last_4x_vec)
+#if !(defined USE_WITH_EVEX || defined USE_WITH_AVX512)
+       /* Set LOOP_REG (rdx).  */
+       leaq    (VEC_SIZE * 4)(%rax), %LOOP_REG
+#endif
+       /* Align dst for loop.  */
+       andq    $(VEC_SIZE * -2), %LOOP_REG
+       .p2align 4
+L(loop):
+       VMOVA   %VEC(0), LOOP_4X_OFFSET(%LOOP_REG)
+       VMOVA   %VEC(0), (VEC_SIZE + LOOP_4X_OFFSET)(%LOOP_REG)
+       VMOVA   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2 + LOOP_4X_OFFSET)(%LOOP_REG)
+       VMOVA   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3 + LOOP_4X_OFFSET)(%LOOP_REG)
+       subq    $-(VEC_SIZE * 4), %LOOP_REG
+       cmpq    %END_REG, %LOOP_REG
+       jb      L(loop)
+       .p2align 4,, MOV_SIZE
+L(last_4x_vec):
+       VMOVU   %VEC(0), LOOP_4X_OFFSET(%END_REG)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE + LOOP_4X_OFFSET)(%END_REG)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 2 + LOOP_4X_OFFSET)(%END_REG)
+       VMOVU   %VEC(0), (VEC_SIZE * 3 + LOOP_4X_OFFSET)(%END_REG)
+L(return):
+#if VEC_SIZE > 16
+       ZERO_UPPER_VEC_REGISTERS_RETURN
+#else
+       ret
+#endif
+
+       .p2align 4,, 10
+#ifndef USE_LESS_VEC_MASK_STORE
+# if defined USE_MULTIARCH && IS_IN (libc)
+       /* If no USE_LESS_VEC_MASK put L(stosb_local) here. Will be in
+          range for 2-byte jump encoding.  */
+L(stosb_local):
+       movzbl  %sil, %eax
+       mov     %RDX_LP, %RCX_LP
+       mov     %RDI_LP, %RDX_LP
+       rep     stosb
+       mov     %RDX_LP, %RAX_LP
+       VZEROUPPER_RETURN
 # endif
-# if VEC_SIZE > 16
-       cmpb    $16, %dl
+       /* Define L(less_vec) only if not otherwise defined.  */
+       .p2align 4
+L(less_vec):
+#endif
+L(cross_page):
+#if VEC_SIZE > 32
+       cmpl    $32, %edx
+       jae     L(between_32_63)
+#endif
+#if VEC_SIZE > 16
+       cmpl    $16, %edx
        jae     L(between_16_31)
-# endif
-       MOVQ    %XMM0, %rcx
-       cmpb    $8, %dl
+#endif
+       MOVQ    %XMM0, %rdi
+       cmpl    $8, %edx
        jae     L(between_8_15)
-       cmpb    $4, %dl
+       cmpl    $4, %edx
        jae     L(between_4_7)
-       cmpb    $1, %dl
+       cmpl    $1, %edx
        ja      L(between_2_3)
-       jb      1f
-       movb    %cl, (%rax)
-1:
+       jb      L(return)
+       movb    %sil, (%rax)
        VZEROUPPER_RETURN
-# if VEC_SIZE > 32
+
+       /* Align small targets only if not doing so would cross a fetch
+          line.  */
+#if VEC_SIZE > 32
+       .p2align 4,, SMALL_MEMSET_ALIGN(MOV_SIZE, RET_SIZE)
        /* From 32 to 63.  No branch when size == 32.  */
 L(between_32_63):
-       VMOVU   %YMM0, -32(%rax,%rdx)
        VMOVU   %YMM0, (%rax)
+       VMOVU   %YMM0, -32(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
-# endif
-# if VEC_SIZE > 16
-       /* From 16 to 31.  No branch when size == 16.  */
+#endif
+
+#if VEC_SIZE >= 32
+       .p2align 4,, SMALL_MEMSET_ALIGN(MOV_SIZE, RET_SIZE)
 L(between_16_31):
-       VMOVU   %XMM0, -16(%rax,%rdx)
+       /* From 16 to 31.  No branch when size == 16.  */
        VMOVU   %XMM0, (%rax)
+       VMOVU   %XMM0, -16(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
-# endif
-       /* From 8 to 15.  No branch when size == 8.  */
+#endif
+
+       .p2align 4,, SMALL_MEMSET_ALIGN(3, RET_SIZE)
 L(between_8_15):
-       movq    %rcx, -8(%rax,%rdx)
-       movq    %rcx, (%rax)
+       /* From 8 to 15.  No branch when size == 8.  */
+       movq    %rdi, (%rax)
+       movq    %rdi, -8(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
+
+       .p2align 4,, SMALL_MEMSET_ALIGN(2, RET_SIZE)
 L(between_4_7):
        /* From 4 to 7.  No branch when size == 4.  */
-       movl    %ecx, -4(%rax,%rdx)
-       movl    %ecx, (%rax)
+       movl    %edi, (%rax)
+       movl    %edi, -4(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
+
+       .p2align 4,, SMALL_MEMSET_ALIGN(3, RET_SIZE)
 L(between_2_3):
        /* From 2 to 3.  No branch when size == 2.  */
-       movw    %cx, -2(%rax,%rdx)
-       movw    %cx, (%rax)
+       movw    %di, (%rax)
+       movb    %dil, -1(%rax, %rdx)
        VZEROUPPER_RETURN
 END (MEMSET_SYMBOL (__memset, unaligned_erms))