面试题：C语言内联汇编与函数优化

Question

假设有一个C语言函数，功能是对一个整数数组进行排序（简单示例可使用冒泡排序）。请使用内联汇编对该函数进行性能优化，说明优化的思路和关键代码片段。并阐述如何通过内联汇编利用特定CPU指令集（如SSE）来进一步提升性能。

Answer 1

优化思路

1. 减少内存访问次数：通过将数组元素加载到寄存器中进行操作，减少对内存的读写次数，因为寄存器访问速度远快于内存。
2. 利用指令级并行：特定CPU指令集（如SSE）能够在一个指令周期内处理多个数据，利用这种特性提升排序的效率。

冒泡排序的C语言原始代码

void bubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j, temp;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

内联汇编优化关键代码片段（以x86架构为例）

void optimizedBubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j, temp;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            __asm__ volatile (
                "movl (%[arr1]), %%eax\n\t"
                "movl 4(%[arr2]), %%ebx\n\t"
                "cmp %%eax, %%ebx\n\t"
                "jle skip_swap\n\t"
                "movl %%eax, 4(%[arr2])\n\t"
                "movl %%ebx, (%[arr1])\n\t"
                "skip_swap:\n\t"
                :
                : [arr1] "r" (&arr[j]), [arr2] "r" (&arr[j + 1])
                : "eax", "ebx"
            );
        }
    }
}

解释：

1. movl (%[arr1]), %%eax：将arr[j]的值加载到eax寄存器。
2. movl 4(%[arr2]), %%ebx：将arr[j + 1]的值加载到ebx寄存器。
3. cmp %%eax, %%ebx：比较eax和ebx的值。
4. jle skip_swap：如果arr[j] <= arr[j + 1]，则跳过交换。
5. 交换操作：将eax的值存入arr[j + 1]，ebx的值存入arr[j]。

利用SSE指令集进一步提升性能

1. 加载数据：使用SSE指令（如movdqa）将多个数组元素加载到XMM寄存器中，一次加载128位（4个32位整数）。
2. 比较和交换：利用SSE的比较指令（如pcmpeqd）和数据操纵指令（如movd和pshufd）来并行比较和交换多个元素。
3. 存储数据：使用movdqa将修改后的数据从XMM寄存器存储回内存。

示例代码片段：

#include <emmintrin.h>

void sseOptimizedBubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (j = 0; j < n - i - 1; j += 4) {
            __m128i xmm1 = _mm_loadu_si128((__m128i *)&arr[j]);
            __m128i xmm2 = _mm_loadu_si128((__m128i *)&arr[j + 4]);
            __m128i cmp = _mm_cmpgt_epi32(xmm1, xmm2);
            __m128i swapped = _mm_blendv_epi8(xmm1, xmm2, cmp);
            __m128i other = _mm_blendv_epi8(xmm2, xmm1, cmp);
            _mm_storeu_si128((__m128i *)&arr[j], swapped);
            _mm_storeu_si128((__m128i *)&arr[j + 4], other);
        }
    }
}

解释：

1. _mm_loadu_si128：从内存中加载128位数据到XMM寄存器。
2. _mm_cmpgt_epi32：比较两个XMM寄存器中的4个32位整数，返回比较结果。
3. _mm_blendv_epi8：根据比较结果交换两个XMM寄存器中的数据。
4. _mm_storeu_si128：将XMM寄存器中的128位数据存储回内存。