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x86: Optimize strrchr-evex.S and implement with VMM headers
authorNoah Goldstein <goldstein.w.n@gmail.com>
Wed, 19 Oct 2022 00:44:07 +0000 (17:44 -0700)
committerNoah Goldstein <goldstein.w.n@gmail.com>
Thu, 20 Oct 2022 00:31:03 +0000 (17:31 -0700)
Optimization is:
1. Cache latest result in "fast path" loop with `vmovdqu` instead of
  `kunpckdq`.  This helps if there are more than one matches.

Code Size Changes:
strrchr-evex.S       :  +30 bytes (Same number of cache lines)

Net perf changes:

Reported as geometric mean of all improvements / regressions from N=10
runs of the benchtests. Value as New Time / Old Time so < 1.0 is
improvement and 1.0 is regression.

strrchr-evex.S       : 0.932 (From cases with higher match frequency)

Full results attached in email.

Full check passes on x86-64.

sysdeps/x86_64/multiarch/strrchr-evex.S

index 992b45fb47fbe27907fdfa98866778c7b2dfa952..45487dc87a3f4cf709face2e7c10f39876297243 100644 (file)
 #  define STRRCHR      __strrchr_evex
 # endif
 
-# define VMOVU vmovdqu64
-# define VMOVA vmovdqa64
+# include "x86-evex256-vecs.h"
 
 # ifdef USE_AS_WCSRCHR
-#  define SHIFT_REG    esi
-
-#  define kunpck       kunpckbw
+#  define RCX_M        cl
+#  define SHIFT_REG    rcx
+#  define VPCOMPRESS   vpcompressd
+#  define kunpck_2x    kunpckbw
 #  define kmov_2x      kmovd
 #  define maskz_2x     ecx
 #  define maskm_2x     eax
 #  define CHAR_SIZE    4
 #  define VPMIN        vpminud
 #  define VPTESTN      vptestnmd
+#  define VPTEST       vptestmd
 #  define VPBROADCAST  vpbroadcastd
+#  define VPCMPEQ      vpcmpeqd
 #  define VPCMP        vpcmpd
-# else
-#  define SHIFT_REG    edi
 
-#  define kunpck       kunpckdq
+#  define USE_WIDE_CHAR
+# else
+#  define RCX_M        ecx
+#  define SHIFT_REG    rdi
+#  define VPCOMPRESS   vpcompressb
+#  define kunpck_2x    kunpckdq
 #  define kmov_2x      kmovq
 #  define maskz_2x     rcx
 #  define maskm_2x     rax
 #  define CHAR_SIZE    1
 #  define VPMIN        vpminub
 #  define VPTESTN      vptestnmb
+#  define VPTEST       vptestmb
 #  define VPBROADCAST  vpbroadcastb
+#  define VPCMPEQ      vpcmpeqb
 #  define VPCMP        vpcmpb
 # endif
 
-# define XMMZERO       xmm16
-# define YMMZERO       ymm16
-# define YMMMATCH      ymm17
-# define YMMSAVE       ymm18
+# include "reg-macros.h"
 
-# define YMM1  ymm19
-# define YMM2  ymm20
-# define YMM3  ymm21
-# define YMM4  ymm22
-# define YMM5  ymm23
-# define YMM6  ymm24
-# define YMM7  ymm25
-# define YMM8  ymm26
-
-
-# define VEC_SIZE      32
+# define VMATCH        VMM(0)
+# define CHAR_PER_VEC  (VEC_SIZE / CHAR_SIZE)
 # define PAGE_SIZE     4096
-       .section .text.evex, "ax", @progbits
-ENTRY(STRRCHR)
+
+       .section SECTION(.text), "ax", @progbits
+ENTRY_P2ALIGN(STRRCHR, 6)
        movl    %edi, %eax
-       /* Broadcast CHAR to YMMMATCH.  */
-       VPBROADCAST %esi, %YMMMATCH
+       /* Broadcast CHAR to VMATCH.  */
+       VPBROADCAST %esi, %VMATCH
 
        andl    $(PAGE_SIZE - 1), %eax
        cmpl    $(PAGE_SIZE - VEC_SIZE), %eax
        jg      L(cross_page_boundary)
 
-L(page_cross_continue):
-       VMOVU   (%rdi), %YMM1
-       /* k0 has a 1 for each zero CHAR in YMM1.  */
-       VPTESTN %YMM1, %YMM1, %k0
-       kmovd   %k0, %ecx
-       testl   %ecx, %ecx
+       VMOVU   (%rdi), %VMM(1)
+       /* k0 has a 1 for each zero CHAR in VEC(1).  */
+       VPTESTN %VMM(1), %VMM(1), %k0
+       KMOV    %k0, %VRSI
+       test    %VRSI, %VRSI
        jz      L(aligned_more)
        /* fallthrough: zero CHAR in first VEC.  */
-
-       /* K1 has a 1 for each search CHAR match in YMM1.  */
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM1, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
+L(page_cross_return):
+       /* K1 has a 1 for each search CHAR match in VEC(1).  */
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(1), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
        /* Build mask up until first zero CHAR (used to mask of
           potential search CHAR matches past the end of the string).
         */
-       blsmskl %ecx, %ecx
-       andl    %ecx, %eax
+       blsmsk  %VRSI, %VRSI
+       and     %VRSI, %VRAX
        jz      L(ret0)
-       /* Get last match (the `andl` removed any out of bounds
-          matches).  */
-       bsrl    %eax, %eax
+       /* Get last match (the `and` removed any out of bounds matches).
+        */
+       bsr     %VRAX, %VRAX
 # ifdef USE_AS_WCSRCHR
        leaq    (%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
 # else
@@ -116,22 +111,22 @@ L(ret0):
           search path for earlier matches.  */
        .p2align 4,, 6
 L(first_vec_x1):
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM2, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       blsmskl %ecx, %ecx
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(2), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       blsmsk  %VRCX, %VRCX
        /* eax non-zero if search CHAR in range.  */
-       andl    %ecx, %eax
+       and     %VRCX, %VRAX
        jnz     L(first_vec_x1_return)
 
-       /* fallthrough: no match in YMM2 then need to check for earlier
-          matches (in YMM1).  */
+       /* fallthrough: no match in VEC(2) then need to check for
+          earlier matches (in VEC(1)).  */
        .p2align 4,, 4
 L(first_vec_x0_test):
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM1, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       testl   %eax, %eax
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(1), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       test    %VRAX, %VRAX
        jz      L(ret1)
-       bsrl    %eax, %eax
+       bsr     %VRAX, %VRAX
 # ifdef USE_AS_WCSRCHR
        leaq    (%rsi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
 # else
@@ -142,129 +137,144 @@ L(ret1):
 
        .p2align 4,, 10
 L(first_vec_x1_or_x2):
-       VPCMP   $0, %YMM3, %YMMMATCH, %k3
-       VPCMP   $0, %YMM2, %YMMMATCH, %k2
+       VPCMPEQ %VMM(3), %VMATCH, %k3
+       VPCMPEQ %VMM(2), %VMATCH, %k2
        /* K2 and K3 have 1 for any search CHAR match. Test if any
-          matches between either of them. Otherwise check YMM1.  */
-       kortestd %k2, %k3
+          matches between either of them. Otherwise check VEC(1).  */
+       KORTEST %k2, %k3
        jz      L(first_vec_x0_test)
 
-       /* Guranteed that YMM2 and YMM3 are within range so merge the
-          two bitmasks then get last result.  */
-       kunpck  %k2, %k3, %k3
-       kmovq   %k3, %rax
-       bsrq    %rax, %rax
-       leaq    (VEC_SIZE)(%r8, %rax, CHAR_SIZE), %rax
+       /* Guranteed that VEC(2) and VEC(3) are within range so merge
+          the two bitmasks then get last result.  */
+       kunpck_2x %k2, %k3, %k3
+       kmov_2x %k3, %maskm_2x
+       bsr     %maskm_2x, %maskm_2x
+       leaq    (VEC_SIZE * 1)(%r8, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
-       .p2align 4,, 6
+       .p2align 4,, 7
 L(first_vec_x3):
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM4, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       blsmskl %ecx, %ecx
-       /* If no search CHAR match in range check YMM1/YMM2/YMM3.  */
-       andl    %ecx, %eax
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(4), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       blsmsk  %VRCX, %VRCX
+       /* If no search CHAR match in range check VEC(1)/VEC(2)/VEC(3).
+        */
+       and     %VRCX, %VRAX
        jz      L(first_vec_x1_or_x2)
-       bsrl    %eax, %eax
+       bsr     %VRAX, %VRAX
        leaq    (VEC_SIZE * 3)(%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
+
        .p2align 4,, 6
 L(first_vec_x0_x1_test):
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM2, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       /* Check YMM2 for last match first. If no match try YMM1.  */
-       testl   %eax, %eax
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(2), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       /* Check VEC(2) for last match first. If no match try VEC(1).
+        */
+       test    %VRAX, %VRAX
        jz      L(first_vec_x0_test)
        .p2align 4,, 4
 L(first_vec_x1_return):
-       bsrl    %eax, %eax
+       bsr     %VRAX, %VRAX
        leaq    (VEC_SIZE)(%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
+
        .p2align 4,, 10
 L(first_vec_x2):
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM3, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       blsmskl %ecx, %ecx
-       /* Check YMM3 for last match first. If no match try YMM2/YMM1.
-        */
-       andl    %ecx, %eax
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(3), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       blsmsk  %VRCX, %VRCX
+       /* Check VEC(3) for last match first. If no match try
+          VEC(2)/VEC(1).  */
+       and     %VRCX, %VRAX
        jz      L(first_vec_x0_x1_test)
-       bsrl    %eax, %eax
+       bsr     %VRAX, %VRAX
        leaq    (VEC_SIZE * 2)(%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
 
-       .p2align 4
+       .p2align 4,, 12
 L(aligned_more):
-       /* Need to keep original pointer incase YMM1 has last match.  */
+L(page_cross_continue):
+       /* Need to keep original pointer incase VEC(1) has last match.
+        */
        movq    %rdi, %rsi
        andq    $-VEC_SIZE, %rdi
-       VMOVU   VEC_SIZE(%rdi), %YMM2
-       VPTESTN %YMM2, %YMM2, %k0
-       kmovd   %k0, %ecx
-       testl   %ecx, %ecx
+
+       VMOVU   VEC_SIZE(%rdi), %VMM(2)
+       VPTESTN %VMM(2), %VMM(2), %k0
+       KMOV    %k0, %VRCX
+
+       test    %VRCX, %VRCX
        jnz     L(first_vec_x1)
 
-       VMOVU   (VEC_SIZE * 2)(%rdi), %YMM3
-       VPTESTN %YMM3, %YMM3, %k0
-       kmovd   %k0, %ecx
-       testl   %ecx, %ecx
+       VMOVU   (VEC_SIZE * 2)(%rdi), %VMM(3)
+       VPTESTN %VMM(3), %VMM(3), %k0
+       KMOV    %k0, %VRCX
+
+       test    %VRCX, %VRCX
        jnz     L(first_vec_x2)
 
-       VMOVU   (VEC_SIZE * 3)(%rdi), %YMM4
-       VPTESTN %YMM4, %YMM4, %k0
-       kmovd   %k0, %ecx
+       VMOVU   (VEC_SIZE * 3)(%rdi), %VMM(4)
+       VPTESTN %VMM(4), %VMM(4), %k0
+       KMOV    %k0, %VRCX
        movq    %rdi, %r8
-       testl   %ecx, %ecx
+       test    %VRCX, %VRCX
        jnz     L(first_vec_x3)
 
        andq    $-(VEC_SIZE * 2), %rdi
-       .p2align 4
+       .p2align 4,, 10
 L(first_aligned_loop):
-       /* Preserve YMM1, YMM2, YMM3, and YMM4 until we can gurantee
-          they don't store a match.  */
-       VMOVA   (VEC_SIZE * 4)(%rdi), %YMM5
-       VMOVA   (VEC_SIZE * 5)(%rdi), %YMM6
+       /* Preserve VEC(1), VEC(2), VEC(3), and VEC(4) until we can
+          gurantee they don't store a match.  */
+       VMOVA   (VEC_SIZE * 4)(%rdi), %VMM(5)
+       VMOVA   (VEC_SIZE * 5)(%rdi), %VMM(6)
 
-       VPCMP   $0, %YMM5, %YMMMATCH, %k2
-       vpxord  %YMM6, %YMMMATCH, %YMM7
+       VPCMPEQ %VMM(5), %VMATCH, %k2
+       vpxord  %VMM(6), %VMATCH, %VMM(7)
 
-       VPMIN   %YMM5, %YMM6, %YMM8
-       VPMIN   %YMM8, %YMM7, %YMM7
+       VPMIN   %VMM(5), %VMM(6), %VMM(8)
+       VPMIN   %VMM(8), %VMM(7), %VMM(7)
 
-       VPTESTN %YMM7, %YMM7, %k1
+       VPTESTN %VMM(7), %VMM(7), %k1
        subq    $(VEC_SIZE * -2), %rdi
-       kortestd %k1, %k2
+       KORTEST %k1, %k2
        jz      L(first_aligned_loop)
 
-       VPCMP   $0, %YMM6, %YMMMATCH, %k3
-       VPTESTN %YMM8, %YMM8, %k1
-       ktestd  %k1, %k1
+       VPCMPEQ %VMM(6), %VMATCH, %k3
+       VPTESTN %VMM(8), %VMM(8), %k1
+
+       /* If k1 is zero, then we found a CHAR match but no null-term.
+          We can now safely throw out VEC1-4.  */
+       KTEST   %k1, %k1
        jz      L(second_aligned_loop_prep)
 
-       kortestd %k2, %k3
+       KORTEST %k2, %k3
        jnz     L(return_first_aligned_loop)
 
+
        .p2align 4,, 6
 L(first_vec_x1_or_x2_or_x3):
-       VPCMP   $0, %YMM4, %YMMMATCH, %k4
-       kmovd   %k4, %eax
-       testl   %eax, %eax
+       VPCMPEQ %VMM(4), %VMATCH, %k4
+       KMOV    %k4, %VRAX
+       bsr     %VRAX, %VRAX
        jz      L(first_vec_x1_or_x2)
-       bsrl    %eax, %eax
        leaq    (VEC_SIZE * 3)(%r8, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
+
        .p2align 4,, 8
 L(return_first_aligned_loop):
-       VPTESTN %YMM5, %YMM5, %k0
-       kunpck  %k0, %k1, %k0
+       VPTESTN %VMM(5), %VMM(5), %k0
+
+       /* Combined results from VEC5/6.  */
+       kunpck_2x %k0, %k1, %k0
        kmov_2x %k0, %maskz_2x
 
        blsmsk  %maskz_2x, %maskz_2x
-       kunpck  %k2, %k3, %k3
+       kunpck_2x %k2, %k3, %k3
        kmov_2x %k3, %maskm_2x
        and     %maskz_2x, %maskm_2x
        jz      L(first_vec_x1_or_x2_or_x3)
@@ -280,47 +290,62 @@ L(return_first_aligned_loop):
 L(second_aligned_loop_prep):
 L(second_aligned_loop_set_furthest_match):
        movq    %rdi, %rsi
-       kunpck  %k2, %k3, %k4
-
+       /* Ideally we would safe k2/k3 but `kmov/kunpck` take uops on
+          port0 and have noticable overhead in the loop.  */
+       VMOVA   %VMM(5), %VMM(7)
+       VMOVA   %VMM(6), %VMM(8)
        .p2align 4
 L(second_aligned_loop):
-       VMOVU   (VEC_SIZE * 4)(%rdi), %YMM1
-       VMOVU   (VEC_SIZE * 5)(%rdi), %YMM2
-
-       VPCMP   $0, %YMM1, %YMMMATCH, %k2
-       vpxord  %YMM2, %YMMMATCH, %YMM3
+       VMOVU   (VEC_SIZE * 4)(%rdi), %VMM(5)
+       VMOVU   (VEC_SIZE * 5)(%rdi), %VMM(6)
+       VPCMPEQ %VMM(5), %VMATCH, %k2
+       vpxord  %VMM(6), %VMATCH, %VMM(3)
 
-       VPMIN   %YMM1, %YMM2, %YMM4
-       VPMIN   %YMM3, %YMM4, %YMM3
+       VPMIN   %VMM(5), %VMM(6), %VMM(4)
+       VPMIN   %VMM(3), %VMM(4), %VMM(3)
 
-       VPTESTN %YMM3, %YMM3, %k1
+       VPTESTN %VMM(3), %VMM(3), %k1
        subq    $(VEC_SIZE * -2), %rdi
-       kortestd %k1, %k2
+       KORTEST %k1, %k2
        jz      L(second_aligned_loop)
-
-       VPCMP   $0, %YMM2, %YMMMATCH, %k3
-       VPTESTN %YMM4, %YMM4, %k1
-       ktestd  %k1, %k1
+       VPCMPEQ %VMM(6), %VMATCH, %k3
+       VPTESTN %VMM(4), %VMM(4), %k1
+       KTEST   %k1, %k1
        jz      L(second_aligned_loop_set_furthest_match)
 
-       kortestd %k2, %k3
-       /* branch here because there is a significant advantage interms
-          of output dependency chance in using edx.  */
+       /* branch here because we know we have a match in VEC7/8 but
+          might not in VEC5/6 so the latter is expected to be less
+          likely.  */
+       KORTEST %k2, %k3
        jnz     L(return_new_match)
+
 L(return_old_match):
-       kmovq   %k4, %rax
-       bsrq    %rax, %rax
-       leaq    (VEC_SIZE * 2)(%rsi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
+       VPCMPEQ %VMM(8), %VMATCH, %k0
+       KMOV    %k0, %VRCX
+       bsr     %VRCX, %VRCX
+       jnz     L(return_old_match_ret)
+
+       VPCMPEQ %VMM(7), %VMATCH, %k0
+       KMOV    %k0, %VRCX
+       bsr     %VRCX, %VRCX
+       subq    $VEC_SIZE, %rsi
+L(return_old_match_ret):
+       leaq    (VEC_SIZE * 3)(%rsi, %rcx, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
+       .p2align 4,, 10
 L(return_new_match):
-       VPTESTN %YMM1, %YMM1, %k0
-       kunpck  %k0, %k1, %k0
+       VPTESTN %VMM(5), %VMM(5), %k0
+
+       /* Combined results from VEC5/6.  */
+       kunpck_2x %k0, %k1, %k0
        kmov_2x %k0, %maskz_2x
 
        blsmsk  %maskz_2x, %maskz_2x
-       kunpck  %k2, %k3, %k3
+       kunpck_2x %k2, %k3, %k3
        kmov_2x %k3, %maskm_2x
+
+       /* Match at end was out-of-bounds so use last known match.  */
        and     %maskz_2x, %maskm_2x
        jz      L(return_old_match)
 
@@ -328,49 +353,53 @@ L(return_new_match):
        leaq    (VEC_SIZE * 2)(%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
        ret
 
+       .p2align 4,, 4
 L(cross_page_boundary):
-       /* eax contains all the page offset bits of src (rdi). `xor rdi,
-          rax` sets pointer will all page offset bits cleared so
-          offset of (PAGE_SIZE - VEC_SIZE) will get last aligned VEC
-          before page cross (guranteed to be safe to read). Doing this
-          as opposed to `movq %rdi, %rax; andq $-VEC_SIZE, %rax` saves
-          a bit of code size.  */
        xorq    %rdi, %rax
-       VMOVU   (PAGE_SIZE - VEC_SIZE)(%rax), %YMM1
-       VPTESTN %YMM1, %YMM1, %k0
-       kmovd   %k0, %ecx
+       mov     $-1, %VRDX
+       VMOVU   (PAGE_SIZE - VEC_SIZE)(%rax), %VMM(6)
+       VPTESTN %VMM(6), %VMM(6), %k0
+       KMOV    %k0, %VRSI
+
+# ifdef USE_AS_WCSRCHR
+       movl    %edi, %ecx
+       and     $(VEC_SIZE - 1), %ecx
+       shrl    $2, %ecx
+# endif
+       shlx    %VGPR(SHIFT_REG), %VRDX, %VRDX
 
-       /* Shift out zero CHAR matches that are before the begining of
-          src (rdi).  */
 # ifdef USE_AS_WCSRCHR
-       movl    %edi, %esi
-       andl    $(VEC_SIZE - 1), %esi
-       shrl    $2, %esi
+       kmovb   %edx, %k1
+# else
+       KMOV    %VRDX, %k1
 # endif
-       shrxl   %SHIFT_REG, %ecx, %ecx
 
-       testl   %ecx, %ecx
+       /* Need to adjust result to VEC(1) so it can be re-used by
+          L(return_vec_x0_test).  The alternative is to collect VEC(1)
+          will a page cross load which is far more expensive.  */
+       VPCOMPRESS %VMM(6), %VMM(1){%k1}{z}
+
+       /* We could technically just jmp back after the vpcompress but
+          it doesn't save any 16-byte blocks.  */
+       shrx    %VGPR(SHIFT_REG), %VRSI, %VRSI
+       test    %VRSI, %VRSI
        jz      L(page_cross_continue)
 
-       /* Found zero CHAR so need to test for search CHAR.  */
-       VPCMP   $0, %YMMMATCH, %YMM1, %k1
-       kmovd   %k1, %eax
-       /* Shift out search CHAR matches that are before the begining of
-          src (rdi).  */
-       shrxl   %SHIFT_REG, %eax, %eax
-
-       /* Check if any search CHAR match in range.  */
-       blsmskl %ecx, %ecx
-       andl    %ecx, %eax
-       jz      L(ret3)
-       bsrl    %eax, %eax
+       /* Duplicate of return logic from ENTRY. Doesn't cause spill to
+          next cache line so might as well copy it here.  */
+       VPCMPEQ %VMATCH, %VMM(1), %k1
+       KMOV    %k1, %VRAX
+       blsmsk  %VRSI, %VRSI
+       and     %VRSI, %VRAX
+       jz      L(ret_page_cross)
+       bsr     %VRAX, %VRAX
 # ifdef USE_AS_WCSRCHR
        leaq    (%rdi, %rax, CHAR_SIZE), %rax
 # else
        addq    %rdi, %rax
 # endif
-L(ret3):
+L(ret_page_cross):
        ret
-
+       /* 1 byte till next cache line.  */
 END(STRRCHR)
 #endif