Branch data Line data Source code
1 : : /*-------------------------------------------------------------------------
2 : : *
3 : : * simd.h
4 : : * Support for platform-specific vector operations.
5 : : *
6 : : * Portions Copyright (c) 1996-2026, PostgreSQL Global Development Group
7 : : * Portions Copyright (c) 1994, Regents of the University of California
8 : : *
9 : : * src/include/port/simd.h
10 : : *
11 : : * NOTES
12 : : * - VectorN in this file refers to a register where the element operands
13 : : * are N bits wide. The vector width is platform-specific, so users that care
14 : : * about that will need to inspect "sizeof(VectorN)".
15 : : *
16 : : *-------------------------------------------------------------------------
17 : : */
18 : : #ifndef SIMD_H
19 : : #define SIMD_H
20 : :
21 : : #if defined(USE_SSE2)
22 : : /*
23 : : * We use emmintrin.h rather than the comprehensive header immintrin.h in
24 : : * order to exclude extensions beyond SSE2. This is because MSVC, at least,
25 : : * will allow the use of intrinsics that haven't been enabled at compile
26 : : * time.
27 : : */
28 : : #include <emmintrin.h>
29 : : typedef __m128i Vector8;
30 : : typedef __m128i Vector32;
31 : :
32 : : #elif defined(USE_NEON)
33 : : #include <arm_neon.h>
34 : : typedef uint8x16_t Vector8;
35 : : typedef uint32x4_t Vector32;
36 : :
37 : : #else
38 : : /*
39 : : * If no SIMD instructions are available, we can in some cases emulate vector
40 : : * operations using bitwise operations on unsigned integers. Note that many
41 : : * of the functions in this file presently do not have non-SIMD
42 : : * implementations. In particular, none of the functions involving Vector32
43 : : * are implemented without SIMD since it's likely not worthwhile to represent
44 : : * two 32-bit integers using a uint64.
45 : : */
46 : : #define USE_NO_SIMD
47 : : typedef uint64 Vector8;
48 : : #endif
49 : :
50 : : /* load/store operations */
51 : : static inline void vector8_load(Vector8 *v, const uint8 *s);
52 : : #ifndef USE_NO_SIMD
53 : : static inline void vector32_load(Vector32 *v, const uint32 *s);
54 : : #endif
55 : :
56 : : /* assignment operations */
57 : : static inline Vector8 vector8_broadcast(const uint8 c);
58 : : #ifndef USE_NO_SIMD
59 : : static inline Vector32 vector32_broadcast(const uint32 c);
60 : : #endif
61 : :
62 : : /* element-wise comparisons to a scalar */
63 : : static inline bool vector8_has(const Vector8 v, const uint8 c);
64 : : static inline bool vector8_has_zero(const Vector8 v);
65 : : static inline bool vector8_has_le(const Vector8 v, const uint8 c);
66 : : static inline bool vector8_is_highbit_set(const Vector8 v);
67 : : #ifndef USE_NO_SIMD
68 : : static inline bool vector32_is_highbit_set(const Vector32 v);
69 : : static inline uint32 vector8_highbit_mask(const Vector8 v);
70 : : #endif
71 : :
72 : : /* arithmetic operations */
73 : : static inline Vector8 vector8_or(const Vector8 v1, const Vector8 v2);
74 : : #ifndef USE_NO_SIMD
75 : : static inline Vector32 vector32_or(const Vector32 v1, const Vector32 v2);
76 : : #endif
77 : :
78 : : /*
79 : : * comparisons between vectors
80 : : *
81 : : * Note: These return a vector rather than boolean, which is why we don't
82 : : * have non-SIMD implementations.
83 : : */
84 : : #ifndef USE_NO_SIMD
85 : : static inline Vector8 vector8_eq(const Vector8 v1, const Vector8 v2);
86 : : static inline Vector8 vector8_min(const Vector8 v1, const Vector8 v2);
87 : : static inline Vector32 vector32_eq(const Vector32 v1, const Vector32 v2);
88 : : #endif
89 : :
90 : : /*
91 : : * Load a chunk of memory into the given vector.
92 : : */
93 : : static inline void
94 : 0 : vector8_load(Vector8 *v, const uint8 *s)
95 : : {
96 : : #if defined(USE_SSE2)
97 : : *v = _mm_loadu_si128((const __m128i *) s);
98 : : #elif defined(USE_NEON)
99 : 0 : *v = vld1q_u8(s);
100 : : #else
101 : : memcpy(v, s, sizeof(Vector8));
102 : : #endif
103 : 0 : }
104 : :
105 : : #ifndef USE_NO_SIMD
106 : : static inline void
107 : 0 : vector32_load(Vector32 *v, const uint32 *s)
108 : : {
109 : : #ifdef USE_SSE2
110 : : *v = _mm_loadu_si128((const __m128i *) s);
111 : : #elif defined(USE_NEON)
112 : 0 : *v = vld1q_u32(s);
113 : : #endif
114 : 0 : }
115 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
116 : :
117 : : /*
118 : : * Store a vector into the given memory address.
119 : : */
120 : : #ifndef USE_NO_SIMD
121 : : static inline void
122 : 0 : vector8_store(uint8 *s, Vector8 v)
123 : : {
124 : : #ifdef USE_SSE2
125 : : _mm_storeu_si128((Vector8 *) s, v);
126 : : #elif defined(USE_NEON)
127 : 0 : vst1q_u8(s, v);
128 : : #endif
129 : 0 : }
130 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
131 : :
132 : : /*
133 : : * Create a vector with all elements set to the same value.
134 : : */
135 : : static inline Vector8
136 : 0 : vector8_broadcast(const uint8 c)
137 : : {
138 : : #if defined(USE_SSE2)
139 : : return _mm_set1_epi8(c);
140 : : #elif defined(USE_NEON)
141 : 0 : return vdupq_n_u8(c);
142 : : #else
143 : : return ~UINT64CONST(0) / 0xFF * c;
144 : : #endif
145 : : }
146 : :
147 : : #ifndef USE_NO_SIMD
148 : : static inline Vector32
149 : 0 : vector32_broadcast(const uint32 c)
150 : : {
151 : : #ifdef USE_SSE2
152 : : return _mm_set1_epi32(c);
153 : : #elif defined(USE_NEON)
154 : 0 : return vdupq_n_u32(c);
155 : : #endif
156 : : }
157 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
158 : :
159 : : /*
160 : : * Return true if any elements in the vector are equal to the given scalar.
161 : : */
162 : : static inline bool
163 : 0 : vector8_has(const Vector8 v, const uint8 c)
164 : : {
165 : 0 : bool result;
166 : :
167 : : /* pre-compute the result for assert checking */
168 : : #ifdef USE_ASSERT_CHECKING
169 : 0 : bool assert_result = false;
170 : :
171 [ # # ]: 0 : for (Size i = 0; i < sizeof(Vector8); i++)
172 : : {
173 [ # # ]: 0 : if (((const uint8 *) &v)[i] == c)
174 : : {
175 : 0 : assert_result = true;
176 : 0 : break;
177 : : }
178 : 0 : }
179 : : #endif /* USE_ASSERT_CHECKING */
180 : :
181 : : #if defined(USE_NO_SIMD)
182 : : /* any bytes in v equal to c will evaluate to zero via XOR */
183 : : result = vector8_has_zero(v ^ vector8_broadcast(c));
184 : : #else
185 : 0 : result = vector8_is_highbit_set(vector8_eq(v, vector8_broadcast(c)));
186 : : #endif
187 : :
188 [ # # ]: 0 : Assert(assert_result == result);
189 : 0 : return result;
190 : 0 : }
191 : :
192 : : /*
193 : : * Convenience function equivalent to vector8_has(v, 0)
194 : : */
195 : : static inline bool
196 : : vector8_has_zero(const Vector8 v)
197 : : {
198 : : #if defined(USE_NO_SIMD)
199 : : /*
200 : : * We cannot call vector8_has() here, because that would lead to a
201 : : * circular definition.
202 : : */
203 : : return vector8_has_le(v, 0);
204 : : #else
205 : : return vector8_has(v, 0);
206 : : #endif
207 : : }
208 : :
209 : : /*
210 : : * Return true if any elements in the vector are less than or equal to the
211 : : * given scalar.
212 : : */
213 : : static inline bool
214 : 0 : vector8_has_le(const Vector8 v, const uint8 c)
215 : : {
216 : 0 : bool result = false;
217 : : #ifdef USE_SSE2
218 : : Vector8 umin;
219 : : Vector8 cmpe;
220 : : #endif
221 : :
222 : : /* pre-compute the result for assert checking */
223 : : #ifdef USE_ASSERT_CHECKING
224 : 0 : bool assert_result = false;
225 : :
226 [ # # ]: 0 : for (Size i = 0; i < sizeof(Vector8); i++)
227 : : {
228 [ # # ]: 0 : if (((const uint8 *) &v)[i] <= c)
229 : : {
230 : 0 : assert_result = true;
231 : 0 : break;
232 : : }
233 : 0 : }
234 : : #endif /* USE_ASSERT_CHECKING */
235 : :
236 : : #if defined(USE_NO_SIMD)
237 : :
238 : : /*
239 : : * To find bytes <= c, we can use bitwise operations to find bytes < c+1,
240 : : * but it only works if c+1 <= 128 and if the highest bit in v is not set.
241 : : * Adapted from
242 : : * https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#HasLessInWord
243 : : */
244 : : if ((int64) v >= 0 && c < 0x80)
245 : : result = (v - vector8_broadcast(c + 1)) & ~v & vector8_broadcast(0x80);
246 : : else
247 : : {
248 : : /* one byte at a time */
249 : : for (Size i = 0; i < sizeof(Vector8); i++)
250 : : {
251 : : if (((const uint8 *) &v)[i] <= c)
252 : : {
253 : : result = true;
254 : : break;
255 : : }
256 : : }
257 : : }
258 : : #elif defined(USE_SSE2)
259 : : umin = vector8_min(v, vector8_broadcast(c));
260 : : cmpe = vector8_eq(umin, v);
261 : : result = vector8_is_highbit_set(cmpe);
262 : : #elif defined(USE_NEON)
263 : 0 : result = vminvq_u8(v) <= c;
264 : : #endif
265 : :
266 [ # # ]: 0 : Assert(assert_result == result);
267 : 0 : return result;
268 : 0 : }
269 : :
270 : : /*
271 : : * Returns true if any elements in the vector are greater than or equal to the
272 : : * given scalar.
273 : : */
274 : : #ifndef USE_NO_SIMD
275 : : static inline bool
276 : 0 : vector8_has_ge(const Vector8 v, const uint8 c)
277 : : {
278 : : #ifdef USE_SSE2
279 : : Vector8 umax = _mm_max_epu8(v, vector8_broadcast(c));
280 : : Vector8 cmpe = vector8_eq(umax, v);
281 : :
282 : : return vector8_is_highbit_set(cmpe);
283 : : #elif defined(USE_NEON)
284 : 0 : return vmaxvq_u8(v) >= c;
285 : : #endif
286 : : }
287 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
288 : :
289 : : /*
290 : : * Return true if the high bit of any element is set
291 : : */
292 : : static inline bool
293 : 0 : vector8_is_highbit_set(const Vector8 v)
294 : : {
295 : : #ifdef USE_SSE2
296 : : return _mm_movemask_epi8(v) != 0;
297 : : #elif defined(USE_NEON)
298 : 0 : return vmaxvq_u8(v) > 0x7F;
299 : : #else
300 : : return v & vector8_broadcast(0x80);
301 : : #endif
302 : : }
303 : :
304 : : /*
305 : : * Exactly like vector8_is_highbit_set except for the input type, so it
306 : : * looks at each byte separately.
307 : : *
308 : : * XXX x86 uses the same underlying type for 8-bit, 16-bit, and 32-bit
309 : : * integer elements, but Arm does not, hence the need for a separate
310 : : * function. We could instead adopt the behavior of Arm's vmaxvq_u32(), i.e.
311 : : * check each 32-bit element, but that would require an additional mask
312 : : * operation on x86.
313 : : */
314 : : #ifndef USE_NO_SIMD
315 : : static inline bool
316 : 0 : vector32_is_highbit_set(const Vector32 v)
317 : : {
318 : : #if defined(USE_NEON)
319 : 0 : return vector8_is_highbit_set((Vector8) v);
320 : : #else
321 : : return vector8_is_highbit_set(v);
322 : : #endif
323 : : }
324 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
325 : :
326 : : /*
327 : : * Return a bitmask formed from the high-bit of each element.
328 : : */
329 : : #ifndef USE_NO_SIMD
330 : : static inline uint32
331 : 0 : vector8_highbit_mask(const Vector8 v)
332 : : {
333 : : #ifdef USE_SSE2
334 : : return (uint32) _mm_movemask_epi8(v);
335 : : #elif defined(USE_NEON)
336 : : /*
337 : : * Note: It would be faster to use vget_lane_u64 and vshrn_n_u16, but that
338 : : * returns a uint64, making it inconvenient to combine mask values from
339 : : * multiple vectors.
340 : : */
341 : : static const uint8 mask[16] = {
342 : : 1 << 0, 1 << 1, 1 << 2, 1 << 3,
343 : : 1 << 4, 1 << 5, 1 << 6, 1 << 7,
344 : : 1 << 0, 1 << 1, 1 << 2, 1 << 3,
345 : : 1 << 4, 1 << 5, 1 << 6, 1 << 7,
346 : : };
347 : :
348 : 0 : uint8x16_t masked = vandq_u8(vld1q_u8(mask), (uint8x16_t) vshrq_n_s8((int8x16_t) v, 7));
349 : 0 : uint8x16_t maskedhi = vextq_u8(masked, masked, 8);
350 : :
351 : 0 : return (uint32) vaddvq_u16((uint16x8_t) vzip1q_u8(masked, maskedhi));
352 : : #endif
353 : 0 : }
354 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
355 : :
356 : : /*
357 : : * Return the bitwise OR of the inputs
358 : : */
359 : : static inline Vector8
360 : 0 : vector8_or(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
361 : : {
362 : : #ifdef USE_SSE2
363 : : return _mm_or_si128(v1, v2);
364 : : #elif defined(USE_NEON)
365 : 0 : return vorrq_u8(v1, v2);
366 : : #else
367 : : return v1 | v2;
368 : : #endif
369 : : }
370 : :
371 : : #ifndef USE_NO_SIMD
372 : : static inline Vector32
373 : 0 : vector32_or(const Vector32 v1, const Vector32 v2)
374 : : {
375 : : #ifdef USE_SSE2
376 : : return _mm_or_si128(v1, v2);
377 : : #elif defined(USE_NEON)
378 : 0 : return vorrq_u32(v1, v2);
379 : : #endif
380 : : }
381 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
382 : :
383 : : /*
384 : : * Return the bitwise AND of the inputs.
385 : : */
386 : : #ifndef USE_NO_SIMD
387 : : static inline Vector8
388 : 0 : vector8_and(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
389 : : {
390 : : #ifdef USE_SSE2
391 : : return _mm_and_si128(v1, v2);
392 : : #elif defined(USE_NEON)
393 : 0 : return vandq_u8(v1, v2);
394 : : #endif
395 : : }
396 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
397 : :
398 : : /*
399 : : * Return the result of adding the respective elements of the input vectors.
400 : : */
401 : : #ifndef USE_NO_SIMD
402 : : static inline Vector8
403 : 0 : vector8_add(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
404 : : {
405 : : #ifdef USE_SSE2
406 : : return _mm_add_epi8(v1, v2);
407 : : #elif defined(USE_NEON)
408 : 0 : return vaddq_u8(v1, v2);
409 : : #endif
410 : : }
411 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
412 : :
413 : : /*
414 : : * Return the result of subtracting the respective elements of the input
415 : : * vectors using signed saturation (i.e., if the operation would yield a value
416 : : * less than -128, -128 is returned instead). For more information on
417 : : * saturation arithmetic, see
418 : : * https://en.wikipedia.org/wiki/Saturation_arithmetic
419 : : */
420 : : #ifndef USE_NO_SIMD
421 : : static inline Vector8
422 : 0 : vector8_issub(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
423 : : {
424 : : #ifdef USE_SSE2
425 : : return _mm_subs_epi8(v1, v2);
426 : : #elif defined(USE_NEON)
427 : 0 : return (Vector8) vqsubq_s8((int8x16_t) v1, (int8x16_t) v2);
428 : : #endif
429 : : }
430 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
431 : :
432 : : /*
433 : : * Return a vector with all bits set in each lane where the corresponding
434 : : * lanes in the inputs are equal.
435 : : */
436 : : #ifndef USE_NO_SIMD
437 : : static inline Vector8
438 : 0 : vector8_eq(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
439 : : {
440 : : #ifdef USE_SSE2
441 : : return _mm_cmpeq_epi8(v1, v2);
442 : : #elif defined(USE_NEON)
443 : 0 : return vceqq_u8(v1, v2);
444 : : #endif
445 : : }
446 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
447 : :
448 : : #ifndef USE_NO_SIMD
449 : : static inline Vector32
450 : 0 : vector32_eq(const Vector32 v1, const Vector32 v2)
451 : : {
452 : : #ifdef USE_SSE2
453 : : return _mm_cmpeq_epi32(v1, v2);
454 : : #elif defined(USE_NEON)
455 : 0 : return vceqq_u32(v1, v2);
456 : : #endif
457 : : }
458 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
459 : :
460 : : /*
461 : : * Return a vector with all bits set for each lane of v1 that is greater than
462 : : * the corresponding lane of v2. NB: The comparison treats the elements as
463 : : * signed.
464 : : */
465 : : #ifndef USE_NO_SIMD
466 : : static inline Vector8
467 : 0 : vector8_gt(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
468 : : {
469 : : #ifdef USE_SSE2
470 : : return _mm_cmpgt_epi8(v1, v2);
471 : : #elif defined(USE_NEON)
472 : 0 : return vcgtq_s8((int8x16_t) v1, (int8x16_t) v2);
473 : : #endif
474 : : }
475 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
476 : :
477 : : /*
478 : : * Given two vectors, return a vector with the minimum element of each.
479 : : */
480 : : #ifndef USE_NO_SIMD
481 : : static inline Vector8
482 : 0 : vector8_min(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
483 : : {
484 : : #ifdef USE_SSE2
485 : : return _mm_min_epu8(v1, v2);
486 : : #elif defined(USE_NEON)
487 : 0 : return vminq_u8(v1, v2);
488 : : #endif
489 : : }
490 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
491 : :
492 : : /*
493 : : * Interleave elements of low halves (e.g., for SSE2, bits 0-63) of given
494 : : * vectors. Bytes 0, 2, 4, etc. use v1, and bytes 1, 3, 5, etc. use v2.
495 : : */
496 : : #ifndef USE_NO_SIMD
497 : : static inline Vector8
498 : 0 : vector8_interleave_low(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
499 : : {
500 : : #ifdef USE_SSE2
501 : : return _mm_unpacklo_epi8(v1, v2);
502 : : #elif defined(USE_NEON)
503 : 0 : return vzip1q_u8(v1, v2);
504 : : #endif
505 : : }
506 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
507 : :
508 : : /*
509 : : * Interleave elements of high halves (e.g., for SSE2, bits 64-127) of given
510 : : * vectors. Bytes 0, 2, 4, etc. use v1, and bytes 1, 3, 5, etc. use v2.
511 : : */
512 : : #ifndef USE_NO_SIMD
513 : : static inline Vector8
514 : 0 : vector8_interleave_high(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
515 : : {
516 : : #ifdef USE_SSE2
517 : : return _mm_unpackhi_epi8(v1, v2);
518 : : #elif defined(USE_NEON)
519 : 0 : return vzip2q_u8(v1, v2);
520 : : #endif
521 : : }
522 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
523 : :
524 : : /*
525 : : * Pack 16-bit elements in the given vectors into a single vector of 8-bit
526 : : * elements. The first half of the return vector (e.g., for SSE2, bits 0-63)
527 : : * uses v1, and the second half (e.g., for SSE2, bits 64-127) uses v2.
528 : : *
529 : : * NB: The upper 8-bits of each 16-bit element must be zeros, else this will
530 : : * produce different results on different architectures.
531 : : */
532 : : #ifndef USE_NO_SIMD
533 : : static inline Vector8
534 : 0 : vector8_pack_16(const Vector8 v1, const Vector8 v2)
535 : : {
536 : 0 : Vector8 mask PG_USED_FOR_ASSERTS_ONLY;
537 : :
538 : 0 : mask = vector8_interleave_low(vector8_broadcast(0), vector8_broadcast(0xff));
539 [ # # ]: 0 : Assert(!vector8_has_ge(vector8_and(v1, mask), 1));
540 [ # # ]: 0 : Assert(!vector8_has_ge(vector8_and(v2, mask), 1));
541 : : #ifdef USE_SSE2
542 : : return _mm_packus_epi16(v1, v2);
543 : : #elif defined(USE_NEON)
544 : 0 : return vuzp1q_u8(v1, v2);
545 : : #endif
546 : 0 : }
547 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
548 : :
549 : : /*
550 : : * Unsigned shift left of each 32-bit element in the vector by "i" bits.
551 : : *
552 : : * XXX AArch64 requires an integer literal, so we have to list all expected
553 : : * values of "i" from all callers in a switch statement. If you add a new
554 : : * caller, be sure your expected values of "i" are handled.
555 : : */
556 : : #ifndef USE_NO_SIMD
557 : : static inline Vector8
558 : 0 : vector8_shift_left(const Vector8 v1, int i)
559 : : {
560 : : #ifdef USE_SSE2
561 : : return _mm_slli_epi32(v1, i);
562 : : #elif defined(USE_NEON)
563 [ # # ]: 0 : switch (i)
564 : : {
565 : : case 4:
566 : 0 : return (Vector8) vshlq_n_u32((Vector32) v1, 4);
567 : : default:
568 : 0 : Assert(false);
569 : 0 : return vector8_broadcast(0);
570 : : }
571 : : #endif
572 : 0 : }
573 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
574 : :
575 : : /*
576 : : * Unsigned shift right of each 32-bit element in the vector by "i" bits.
577 : : *
578 : : * XXX AArch64 requires an integer literal, so we have to list all expected
579 : : * values of "i" from all callers in a switch statement. If you add a new
580 : : * caller, be sure your expected values of "i" are handled.
581 : : */
582 : : #ifndef USE_NO_SIMD
583 : : static inline Vector8
584 : 0 : vector8_shift_right(const Vector8 v1, int i)
585 : : {
586 : : #ifdef USE_SSE2
587 : : return _mm_srli_epi32(v1, i);
588 : : #elif defined(USE_NEON)
589 [ # # # ]: 0 : switch (i)
590 : : {
591 : : case 4:
592 : 0 : return (Vector8) vshrq_n_u32((Vector32) v1, 4);
593 : : case 8:
594 : 0 : return (Vector8) vshrq_n_u32((Vector32) v1, 8);
595 : : default:
596 : 0 : Assert(false);
597 : 0 : return vector8_broadcast(0);
598 : : }
599 : : #endif
600 : 0 : }
601 : : #endif /* ! USE_NO_SIMD */
602 : :
603 : : #endif /* SIMD_H */
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