如何从__m128i复制指定字节/位至常规内存？掩码存储处理方法

嘿，这两个都是SIMD编程里很常见的边界处理问题，我来一步步给你拆解清楚～

1. 如何从__m128i中复制X个字节或比特到常规内存？ #

复制X个字节的场景 #

分几种情况处理，优先选最高效的方式：

• 如果X是16的整数倍：直接用_mm_store_si128（对齐内存）或_mm_storeu_si128（非对齐内存）一次性写入就行，这是最省心也最快的操作。
• 如果X < 16：
  • 要是只需要低X字节（比如X=8），可以用_mm_storel_epi64专门写入低64位（8字节），比通用方法更直接。
  • 通用场景（任意位置的X字节）：如果你的硬件支持AVX2及以上，强烈推荐用掩码存储指令_mm_maskstore_epi8——先构造一个字节掩码，要写入的字节对应位设为0xFF，其余设为0，然后指令会自动只写入掩码为1的位置，不用手动处理原有数据。
  • 要是只能用SSE（没有AVX2支持），就得手动合并原有内存数据：
    1. 用_mm_loadu_si128加载目标地址所在的16字节（不管对齐与否）；
    2. 构造一个掩码，要保留的原有字节设为0xFF，要替换的设为0；
    3. 用_mm_and_si128把原有数据的有效部分保留下来；
    4. 把__m128i中要写入的字节用掩码提取出来；
    5. 用_mm_or_si128合并两部分，最后写回内存。

复制X个比特的场景 #

比特级的复制要麻烦些，核心是处理位对齐：

1. 先明确目标内存中要写入的比特起始位置和长度X；
2. 加载目标地址所在的16字节（如果比特段跨了两个16字节块，还要加载下一个块）；
3. 构造位掩码，把目标位置的原有比特清掉（对应位设为0，其余为1）；
4. 把__m128i中的目标比特段移位到正确的位置，并用掩码只保留这些比特；
5. 把移位后的比特段和清除后的原有数据做_mm_or_si128，最后写回内存。

举个简单例子：如果要把__m128i的低5比特写入内存地址ptr的第3到第7位，先加载ptr所在的16字节，用掩码清除第3-7位，然后把__m128i的低5比特左移3位，再和原有数据OR后写回就行。

2. 处理不足128位的int16加法结果存储 #

你的场景是小数组走到末尾时，剩下的int16元素不足8个（也就是不够128位），不想把整个128位结果都写回去，这里分两种方案，看你的硬件支持情况：

方案一：AVX2掩码存储（强烈推荐，若硬件支持） #

AVX2专门加了掩码存储指令，能直接指定哪些元素需要写入，非常适合这种边界情况：

1. 先算出剩余的int16元素数量remaining（比如remaining = smallArrayTotalLen - currentProcessedIndex，且remaining < 8）；
2. 构造一个16位元素的掩码：前8 - remaining个元素设为0，后remaining个设为0xFFFF（表示这些位置要写入）。可以用_mm_set_epi16手动构造，也可以用_mm_cmpgt_epi16生成更通用的掩码；
3. 用_mm_mask_storeu_epi16（非对齐内存）或_mm_mask_store_si128（对齐内存）写入，只会更新掩码为1的元素。

给你写个示例代码：

// 假设当前处理到largeArray的pInLargeArray位置，剩余remaining个int16元素（remaining <8）
int remaining = ...; // 你自己计算得到的剩余元素数
__m128i mask;

// 手动构造掩码，比如remaining=3时，低3个int16设为0xFFFF，其余为0
switch(remaining) {
    case 1: mask = _mm_set_epi16(0,0,0,0,0,0,0,0xFFFF); break;
    case 2: mask = _mm_set_epi16(0,0,0,0,0,0,0xFFFF,0xFFFF); break;
    case 3: mask = _mm_set_epi16(0,0,0,0,0,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF); break;
    case 4: mask = _mm_set_epi16(0,0,0,0,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF); break;
    case 5: mask = _mm_set_epi16(0,0,0,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF); break;
    case 6: mask = _mm_set_epi16(0,0,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF); break;
    case 7: mask = _mm_set_epi16(0,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF); break;
    default: mask = _mm_set1_epi16(0xFFFF); break; // 理论上不会走到这里
}

__m128i inSmallArray = _mm_loadu_si128((__m128i*)(smallArray + currentIndex));
__m128i inLargeArray = _mm_loadu_si128(pInLargeArray);
__m128i result = _mm_add_epi16(inLargeArray, inSmallArray);

// 掩码存储，只写入需要的remaining个元素
_mm_mask_storeu_epi16((int16_t*)pInLargeArray, mask, result);

方案二：SSE下的手动合并（无AVX2支持时） #

如果只能用SSE（老硬件），没有原生掩码存储，那就得手动合并原有数据和计算结果：

1. 加载目标地址的原有16字节数据；
2. 构造掩码：要保留的原有元素设为0xFFFF，要替换的设为0；
3. 用_mm_and_si128保留原有数据的有效部分；
4. 用_mm_andnot_si128提取计算结果中需要写入的部分；
5. 合并两部分后写回内存。

示例代码如下：

int remaining = ...;
__m128i origData = _mm_loadu_si128(pInLargeArray);
__m128i inSmallArray = _mm_loadu_si128((__m128i*)(smallArray + currentIndex));
__m128i inLargeArray = origData;
__m128i result = _mm_add_epi16(inLargeArray, inSmallArray);

// 构造掩码：remaining个元素要替换，所以这些位置设为0，其余为0xFFFF
__m128i keepMask;
switch(remaining) {
    case 1: keepMask = _mm_set_epi16(0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0); break;
    case 2: keepMask = _mm_set_epi16(0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0,0); break;
    case 3: keepMask = _mm_set_epi16(0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0,0,0); break;
    // 以此类推，对应remaining的情况
    default: keepMask = _mm_setzero_si128(); break;
}

__m128i keptOrig = _mm_and_si128(origData, keepMask);
__m128i writeResult = _mm_andnot_si128(keepMask, result);
__m128i finalData = _mm_or_si128(keptOrig, writeResult);

_mm_storeu_si128(pInLargeArray, finalData);

另外提一句：如果你的内存是对齐的（比如用_mm_malloc分配的），可以把_mm_loadu_si128/_mm_storeu_si128换成_mm_load_si128/_mm_store_si128，性能会更好哦。

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