如何使用SIMD检查__m128i中奇偶通道是否在指定范围内？

我们有一个存储16个无符号char的__m128i向量，其中**偶数索引（0、2、4……14）**的字节需落在[even_min, even_max]区间，**奇数索引（1、3、5……15）**的字节需落在[odd_min, odd_max]区间。示例如下：

// 合法示例
vec1: [1, 5, 6, 10, 2, 6, 4, 6, 2, 7, 4, 9, 2, 7, 4, 8] 

// 非法示例：第0位（偶数索引）超过even_max
vec2: [8, 5, 6, 10, 2, 6, 4, 6, 2, 7, 4, 9, 2, 7, 4, 8]

现有实现方案 #

你当前采用分两组检查的方式，逻辑直观但存在优化空间：

// 用于无符号char的包含性比较宏
#define _mm_cmpge_epi8(a, b) _mm_cmpeq_epi8(_mm_max_epu8(a, b), a)
#define _mm_cmple_epi8(a, b) _mm_cmpge_epi8(b, a)

// 检查偶数索引字节
__m128i even_min = _mm_set1_epi8(xxx);
__m128i even_max = _mm_set1_epi8(xxx);
__m128i even_mask = _mm_set_epi8(0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1);

__m128i evenRange = _mm_and_si128(_mm_cmpge_epi8(vec, even_min), _mm_cmple_epi8(vec, even_max));
bool isEvenOk = _mm_testc_si128(evenRange, even_mask);

// 奇数索引字节的检查逻辑与上述类似

更高效的优化方案 #

通过合并奇偶范围的比较逻辑，可以减少SIMD指令调用次数，提升执行效率：

1. 构造混合min/max向量：将even_min放在偶数索引位，odd_min放在奇数索引位；同理构造max向量。
2. 一次性完成所有字节的范围检查，再用掩码分别验证奇偶位的合法性。

优化后的代码示例：

#define _mm_cmpge_epi8(a, b) _mm_cmpeq_epi8(_mm_max_epu8(a, b), a)
#define _mm_cmple_epi8(a, b) _mm_cmpge_epi8(b, a)

// 构造奇偶混合的min向量：偶数位为even_min，奇数位为odd_min
__m128i min_vec = _mm_setr_epi8(
    even_min_val, odd_min_val, even_min_val, odd_min_val,
    even_min_val, odd_min_val, even_min_val, odd_min_val,
    even_min_val, odd_min_val, even_min_val, odd_min_val,
    even_min_val, odd_min_val, even_min_val, odd_min_val
);

// 构造奇偶混合的max向量：偶数位为even_max，奇数位为odd_max
__m128i max_vec = _mm_setr_epi8(
    even_max_val, odd_max_val, even_max_val, odd_max_val,
    even_max_val, odd_max_val, even_max_val, odd_max_val,
    even_max_val, odd_max_val, even_max_val, odd_max_val,
    even_max_val, odd_max_val, even_max_val, odd_max_val
);

// 一次性完成所有字节的范围检查：合法字节为0xFF，非法为0
__m128i all_valid = _mm_and_si128(_mm_cmpge_epi8(vec, min_vec), _mm_cmple_epi8(vec, max_vec));

// 奇偶索引掩码
__m128i even_mask = _mm_set_epi8(0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1);
__m128i odd_mask = _mm_set_epi8(-1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0, -1, 0);

// 验证奇偶位是否全部合法
bool isEvenOk = _mm_testc_si128(all_valid, even_mask);
bool isOddOk = _mm_testc_si128(all_valid, odd_mask);
bool isAllOk = isEvenOk && isOddOk;

额外优化技巧（AVX2环境） #

如果你的编译环境支持AVX2指令集，可以用_mm_shuffle_epi8快速构造混合min/max向量，尤其适合min/max为变量的场景：

__m128i even_min_vec = _mm_set1_epi8(even_min_val);
__m128i odd_min_vec = _mm_set1_epi8(odd_min_val);
// 交叉排列even和odd的min值
__m128i shuffle_mask = _mm_setr_epi8(0, 16, 0, 16, 0, 16, 0, 16, 0, 16, 0, 16, 0, 16, 0, 16);
__m128i min_vec = _mm_shuffle_epi8(_mm_unpacklo_epi8(even_min_vec, odd_min_vec), shuffle_mask);

内容的提问来源于stack exchange，提问作者chenzhongpu