SSE4.2 _mm_cmpistrm/_mm_cmpestrm指令返回错误结果排查

问题描述 #

尝试用SSE4.2的_mm_cmpistrm指令计算两个uint16_t数组的交集，但返回结果不符合预期。

原代码 #

#include <nmmintrin.h>
#include <cstdint>
#include <cstdio>
void test(uint16_t *a, uint16_t *b) {
    __m128i v_a = _mm_loadu_si128((__m128i*)a);
    __m128i v_b = _mm_loadu_si128((__m128i*)b);
    __m128i res_v1 = _mm_cmpistrm(v_a, v_b, _SIDD_UWORD_OPS | _SIDD_CMP_EQUAL_ANY | _SIDD_BIT_MASK);
    uint32_t mask_a = _mm_extract_epi32(res_v1, 0);
    __m128i res_v2 = _mm_cmpistrm(v_b, v_a, _SIDD_UWORD_OPS | _SIDD_CMP_EQUAL_ANY | _SIDD_BIT_MASK);
    uint32_t mask_b = _mm_extract_epi32(res_v2, 0);
    printf("match a:");
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (mask_a & (1 << (7 - i))) {
            printf(" %d", a[i]);
        }
    }
    putchar('\n');
    printf("match b:");
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (mask_b & (1 << (7 - i))) {
            printf(" %d", b[i]);
        }
    }
    putchar('\n');
}
int main() {
    uint16_t a[] = {13, 18, 19, 24, 97, 104, 456, 1024};
    uint16_t b[] = {11, 17, 18, 19, 24, 58, 104, 456};
    test(a, b);
}

预期输出 #

match a: 18 19 24 104 456
match b: 18 19 24 104 456

实际输出 #

match a: 13 18 24 97 104
match b: 17 18 24 58 104

问题分析与修复 #

这是代码逻辑错误，和Intel CPU无关。

错误原因 #

_mm_cmpistrm使用_SIDD_BIT_MASK模式时，返回的掩码位与源操作数1的元素对应关系为：

• 源操作数1的第0个元素 → 掩码的第0位（最低位）
• 源操作数1的第1个元素 → 掩码的第1位
• ...
• 源操作数1的第7个元素 → 掩码的第7位

而你的代码中用1 << (7 - i)来检查掩码位，相当于把元素索引和掩码位的对应关系完全反转，导致错误匹配了数组元素。

修复后的代码 #

将掩码检查的位计算改为1 << i，让数组第i个元素对应掩码的第i位：

#include <nmmintrin.h>
#include <cstdint>
#include <cstdio>
void test(uint16_t *a, uint16_t *b) {
    __m128i v_a = _mm_loadu_si128((__m128i*)a);
    __m128i v_b = _mm_loadu_si128((__m128i*)b);
    __m128i res_v1 = _mm_cmpistrm(v_a, v_b, _SIDD_UWORD_OPS | _SIDD_CMP_EQUAL_ANY | _SIDD_BIT_MASK);
    uint32_t mask_a = _mm_extract_epi32(res_v1, 0);
    __m128i res_v2 = _mm_cmpistrm(v_b, v_a, _SIDD_UWORD_OPS | _SIDD_CMP_EQUAL_ANY | _SIDD_BIT_MASK);
    uint32_t mask_b = _mm_extract_epi32(res_v2, 0);
    printf("match a:");
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 修复：将(1 << (7 - i))改为(1 << i)
        if (mask_a & (1 << i)) {
            printf(" %d", a[i]);
        }
    }
    putchar('\n');
    printf("match b:");
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 修复：将(1 << (7 - i))改为(1 << i)
        if (mask_b & (1 << i)) {
            printf(" %d", b[i]);
        }
    }
    putchar('\n');
}
int main() {
    uint16_t a[] = {13, 18, 19, 24, 97, 104, 456, 1024};
    uint16_t b[] = {11, 17, 18, 19, 24, 58, 104, 456};
    test(a, b);
}

验证结果 #

修复后运行代码，将得到预期的输出：

match a: 18 19 24 104 456
match b: 18 19 24 104 456

内容的提问来源于stack exchange，提问作者zelin