优化面向区间内输入的std::clamp：保留cmov而非分支是否有意义？

C++17的std::clamp是一个模板函数，用于确保输入值不小于给定最小值且不大于给定最大值：若输入值在区间内则返回输入值，否则对应返回最小值或最大值。

本次优化的前提假设 #

• 类型参数为32位或64位整数
• 输入值大概率已经处于区间内，即大概率直接返回输入值
• 输入值通常是调用前不久计算所得，最小值和最大值通常提前已知
• 忽略引用相关逻辑：引用会增加优化复杂度，且在整数场景下无实际使用价值

基础实现的编译结果 #

无论是标准库实现还是朴素手写实现，gcc和clang生成的汇编代码都没有适配上述「输入大概率在区间内」的假设，以下是两个基础实现：

#include <algorithm>

int clamp1(int v, int minv, int maxv)
{
    return std::clamp(v, minv, maxv);
}

int clamp2(int v, int minv, int maxv)
{
    if (maxv < v)
    {
        return maxv ;
    }
    if (v < minv)
    {
        return minv;
    }
    return v;
}

上述代码编译后都会生成两条cmov指令，对应汇编如下：

mov     eax, esi
        cmp     edi, esi
        cmovge  eax, edi
        cmp     edx, edi
        cmovl   eax, edi

加入分支预测提示后的编译差异 #

尝试使用__builtin_expect告知编译器优先适配区间内场景（gcc目前似乎会忽略C++20的[[likely]]注解），实现如下：

int clamp3(int v, int minv, int maxv)
{
    if (__builtin_expect(maxv < v, 0))
    {
        return maxv;
    }
    if (__builtin_expect(v < minv, 0))
    {
        return minv;
    }
    return v;
}

此时gcc和clang的编译结果出现差异：gcc仍然生成两条cmov指令完全避免分支，clang则只生成1条条件跳转而非预期的2条，clang生成的汇编如下（注解为手动添加）：

clamp3(int, int, int):
        mov     eax, edx     ; result = maxv
        cmp     edi, esi     ;  v, minv
        cmovge  esi, edi     ; if (v >= minv) minv = v
        cmp     edx, edi     ;  maxv, v
        jl      .LBB0_2      ; if (maxv < v) goto LBB0_2
        mov     eax, esi     ; result = minv  (无截断时该值已被更新为v)
.LBB0_2:
        ret

待解答的核心问题 #

• 预期每次都走相同路径的条件跳转是否存在明显劣势，导致gcc选择避免使用分支？
• clang生成的单条件跳转版本，是否比双跳转版本性能更优？

Intel官方优化手册的相关参考 #

2021年6月版《Intel® 64 and IA-32 架构优化参考手册》第3-5页建议不要随意使用cmov：

汇编/编译器编码规则2（影响程度中，通用性中高） 尽可能使用SETCC和CMOV指令消除不可预测的条件分支，但不要对可预测分支做该转换。也不要用这些指令消除所有不可预测条件分支：这类指令需要执行条件分支的两条路径，会产生执行开销。此外将条件分支转换为SETCC或CMOV，本质是用数据依赖替换控制流依赖，会限制乱序执行引擎的能力。调优时请注意，所有Intel 64和IA-32处理器通常都有极高的分支预测准确率，持续预测错误的分支非常罕见。仅当计算时间的增量小于分支预测错误的预期开销时，才可以使用这类指令。

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