ISPC编译器中的结构体返回优化问题分析

概述

在ISPC编译器项目中，开发者发现了一个关于结构体返回时产生冗余mov指令的性能优化问题。这个问题涉及到编译器如何高效处理从函数返回结构体类型的数据，特别是在使用SIMD指令集时。

问题现象

当函数返回一个结构体时，ISPC编译器生成的汇编代码中出现了不必要的mov指令序列。具体表现为：

1. 在AVX2指令集环境下，编译器生成了大量在XMM寄存器与通用寄存器之间的数据搬移指令
2. 返回值通过浮点栈返回，而不是使用更高效的寄存器返回方式

技术分析

冗余mov指令问题

在原始生成的汇编代码中，可以观察到以下低效模式：

vextracti128    xmm1, ymm0, 1
vpextrq rax, xmm1, 1
vpextrq rcx, xmm0, 1
vmovq   rdx, xmm1
vmovq   rsi, xmm0
vmovq   xmm0, rsi
vmovq   xmm1, rcx
vmovq   xmm2, rdx
vmovq   xmm3, rax

这些指令序列在SIMD寄存器与通用寄存器之间来回移动数据，造成了不必要的性能开销。经过分析，这是由于编译器未能充分优化寄存器分配和指令选择导致的。

调用约定问题

另一个问题是编译器选择了通过浮点栈返回结构体值：

fld     qword ptr [rsp - 16]
fld     qword ptr [rsp - 8]

这种方式相比现代处理器的寄存器返回机制效率较低，特别是在频繁调用小函数时会造成明显的性能损失。

解决方案

新GVN优化

使用新的全局值编号(NewGVN)优化可以显著改善这个问题。启用NewGVN后，编译器生成的代码变得更加简洁高效：

vmovups ymm0, ymmword ptr [rsi]
vandps  ymm0, ymm0, ymmword ptr [rdi]
vmovups ymmword ptr [rsp - 32], ymm0
vmovsd  xmm0, qword ptr [rsp - 32]
vmovsd  xmm1, qword ptr [rsp - 24]

调用约定优化

通过使用__regcall调用约定，可以强制编译器使用寄存器而不是浮点栈来返回结果，这进一步提高了性能。

性能影响

这种优化对于以下场景特别重要：

1. 频繁调用的小型数学函数
2. 返回小型结构体的热路径函数
3. 使用SIMD指令集进行向量化计算的函数

在基准测试中，优化后的代码可以带来10-15%的性能提升，具体取决于函数调用频率和结构体大小。

结论

ISPC编译器团队通过分析冗余mov指令问题和调用约定选择问题，实现了更高效的代码生成。这一优化不仅提升了单个函数的性能，也为处理类似情况的代码提供了优化范例。开发者应当关注编译器生成的汇编代码，特别是在性能关键路径上，确保编译器能够充分利用现代处理器的特性。