SIMD 的用法

概述

SIMD是“Single Instruction/Multiple Data”的缩写，意为“单指令，多数据”。它是JavaScript操作CPU对应指令的接口，你可以看做这是一种不同的运算执行模式。与它相对的是SISD（“Single Instruction/Single Data”），即“单指令，单数据”。

SIMD的含义是使用一个指令，完成多个数据的运算；SISD的含义是使用一个指令，完成单个数据的运算，这是JavaScript的默认运算模式。显而易见，SIMD的执行效率要高于SISD，所以被广泛用于3D图形运算、物理模拟等运算量超大的项目之中。

为了理解SIMD，请看下面的例子。

var a = [1, 2, 3, 4];
var b = [5, 6, 7, 8];
var c = [];

c[0] = a[0] + b[0];
c[1] = a[1] + b[1];
c[2] = a[2] + b[2];
c[3] = a[3] + b[3];
c; // Array[6, 8, 10, 12]

上面代码中，数组a和b的对应成员相加，结果放入数组c。它的运算模式是依次处理每个数组成员，一共有四个数组成员，所以需要运算4次。

如果采用SIMD模式，只要运算一次就够了。

var a = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 4);
var b = SIMD.Float32x4(5, 6, 7, 8);
var c = SIMD.Float32x4.add(a, b); // Float32x4[6, 8, 10, 12]

上面代码之中，数组a和b的四个成员的各自相加，只用一条指令就完成了。因此，速度比上一种写法提高了4倍。

一次SIMD运算，可以处理多个数据，这些数据被称为“通道”（lane）。上面代码中，一次运算了四个数据，因此就是四个通道。

SIMD通常用于矢量运算。

v + w	= 〈v1, …, vn〉+ 〈w1, …, wn〉
      = 〈v1+w1, …, vn+wn〉

上面代码中，v和w是两个多元矢量。它们的加运算，在SIMD下是一个指令、而不是n个指令完成的，这就大大提高了效率。这对于3D动画、图像处理、信号处理、数值处理、加密等运算是非常重要的。

总得来说，SIMD是数据并行处理（parallelism）的一种手段。

数据类型

SIMD提供多种数据类型。

Float32x4：四个32位浮点数
Float64x2：两个64位浮点数
Int32x4：四个32位整数
Int16x8：八个16位整数
Int8x16：十六个8位整数
Uint32x4：四个无符号的32位整数
Uint16x8：八个无符号的16位整数
Uint8x16：十六个无符号的8位整数
Bool32x4：四个32位布尔值
Bool16x8：八个16位布尔值
Bool8x16：十六个8位布尔值
Bool64x2：两个64位布尔值

每种数据类型都是一个方法，可以传入参数，生成对应的值。

var a = SIMD.Float32x4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);

上面代码中，变量a就是一个128位、包含四个32位浮点数的值。

注意，这些数据类型方法都不是构造函数，前面不能加new，否则会报错。

var v = new SIMD.Float32x4(0,1,2,3);
// TypeError: SIMD.Float32x4 is not a constructor

每种数据类型都有一系列运算符，下面是其中的一些。

float32x4.abs(v)：返回v的绝对值
float32x4.neg(v)：返回v的绝对值的负值
float32x4.sqrt(v)：返回v的平方根
float32x4.add(v, w)：v和w对应项的相加
float32x4.mul(v, w)：v和w对应项的相乘
float32x4.equal(v, w)：比较v和w对应项是否相等，返回的布尔值组成一个uint32x4的值

下面是一个add运算符的例子。

c[i] = SIMD.float32x4.add(a[i], b[i]);

// 或者

var tmp0 = a[i];
var tmp1 = b[i];
var tmp2 = SIMD.float32x4.add(tmp0, tmp1);
c[i] = tmp2;

此外，每种数据类型还有操作方法。

getAt方法返回指定位置的值。

var a = SIMD.float32x4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
var b = a.getAt(0); // 1.0

zero方法可以将SIMD值清零。

var b = SIMD.float32x4.zero();

上面代码中，变量b包含的四个32位浮点数全部是0.0。

shuffle方法根据指定模式，重新生成一个SIMD值。

var a = SIMD.float32x4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
var b = SIMD.float32x4.shuffle(a, SIMD.float32x4.XXYY);
// [1.0, 1.0, 2.0, 2.0]

var c = SIMD.float32x4.shuffle(a, SIMD.float32x4.WWWW);
// [4.0, 4.0, 4.0, 4.0]

var d = SIMD.float32x4.shuffle(a, SIMD.float32x4.WZYX);
// [4.0, 3.0, 2.0, 1.0]

下面是一个求平均值的例子。

function average(f32x4list) {
  var n = f32x4list.length;
  var sum = SIMD.float32x4.zero();
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    sum = SIMD.float32x4.add(sum, f32x4list.getAt(i));
  }
  var total = sum.x + sum.y + sum.z + sum.w;
  return total / (n * 4);
}

二进制数组

SIMD可以与二进制数组结合，生成数组实例。

var _f64x2 = new Float64Array(_f32x4.buffer);
var _i32x4 = new Int32Array(_f32x4.buffer);
var _i16x8 = new Int16Array(_f32x4.buffer);
var _i8x16 = new Int8Array(_f32x4.buffer);
var _ui32x4 = new Uint32Array(_f32x4.buffer);
var _ui16x8 = new Uint16Array(_f32x4.buffer);
var _ui8x16 = new Uint8Array(_f32x4.buffer);

下面是一些应用的例子。

// a 和 b 是float32x4数组实例
function addArrays(a, b) {
  var c = new Float32x4Array(a.length);
  for (var i = 0; i < a.length; i++) {
    c[i] = SIMD.float32x4.add(a[i], b[i]);
  }
  return c;
}

参考链接

MDN, SIMD
TC39, ECMAScript SIMD
Axel Rauschmayer, JavaScript gains support for SIMD

5.5 KiB Raw Blame History Unescape Escape

SIMD 的用法

概述

数据类型

二进制数组

参考链接

5.5 KiB

Raw Blame History