base: Optimize and otherwise fix a couple of functions in intmath.hh.
authorGabe Black <gabeblack@google.com>
Wed, 4 Mar 2020 01:41:44 +0000 (17:41 -0800)
committerGabe Black <gabeblack@google.com>
Thu, 5 Mar 2020 23:42:44 +0000 (23:42 +0000)
As described in the Jira issue, this replaces the implementation of
isPowerOf2() and power(). It also revamps floorLog2 so that there only
needs to be one implementation and no assumptions about how big certain
types are.

The way power() used to work was to raise a number n to an exponent e
by multiplying n times itself e times. As a warning in this function
explains, this can be quite slow for large e. A much more efficient
way to raise a number to an exponent is to square n over and over, and
to multiply in the current square if that bit of e is set.

n ^ 15 = (n^1) * (n^2) * (n^4) * (n^8)
n^8 = (n^4)^2
n^4 = (n^2)^2
n^2 = n^2
n^1 = n

So that takes 6 multiplications, n^2, (n^2)^2, (n^4)^2, and then each
multipy to compute the final result, instead of 14.

The difference is more pronounced for larger exponents, although you'd
quickly start to overflow a uint64_t.

Jira Issue: https://gem5.atlassian.net/browse/GEM5-140

Change-Id: I0ae05aeba1b5882d2a616613b1679e6206b4cbfe
Reviewed-on: https://gem5-review.googlesource.com/c/public/gem5/+/26164
Reviewed-by: Daniel Carvalho <odanrc@yahoo.com.br>
Maintainer: Gabe Black <gabeblack@google.com>
Tested-by: kokoro <noreply+kokoro@google.com>
src/base/intmath.hh
src/base/intmath.test.cc

index c6ad329cc52c36dce9dc8ebba70289b628c05911..3713ae624bc4dab5f85e9d1e50af77a0d1556a7f 100644 (file)
@@ -30,6 +30,8 @@
 #define __BASE_INTMATH_HH__
 
 #include <cassert>
+#include <cstdint>
+#include <type_traits>
 
 #include "base/logging.hh"
 #include "base/types.hh"
 inline uint64_t
 power(uint32_t n, uint32_t e)
 {
-    if (e > 20)
-        warn("Warning, power() function is quite slow for large exponents\n");
-
-    if (e == 0)
-        return 1;
-
-    uint64_t result = n;
-    uint64_t old_result = 0;
-    for (int x = 1; x < e; x++) {
-        old_result = result;
-        result *= n;
-        if (old_result > result)
-            warn("power() overflowed!\n");
+    uint64_t result = 1;
+    uint64_t component = n;
+    while (e) {
+        uint64_t last = result;
+        if (e & 0x1)
+            result *= component;
+        warn_if(result < last, "power() overflowed!");
+        e >>= 1;
+        component *= component;
     }
     return result;
 }
 
-
-inline int
-floorLog2(unsigned x)
+template <class T>
+inline typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, int>::type
+floorLog2(T x)
 {
     assert(x > 0);
 
-    int y = 0;
-
-    if (x & 0xffff0000) { y += 16; x >>= 16; }
-    if (x & 0x0000ff00) { y +=  8; x >>=  8; }
-    if (x & 0x000000f0) { y +=  4; x >>=  4; }
-    if (x & 0x0000000c) { y +=  2; x >>=  2; }
-    if (x & 0x00000002) { y +=  1; }
-
-    return y;
-}
-
-inline int
-floorLog2(unsigned long x)
-{
-    assert(x > 0);
+    // A guaranteed unsigned version of x.
+    uint64_t ux = (typename std::make_unsigned<T>::type)x;
 
     int y = 0;
+    constexpr auto ts = sizeof(T);
 
-#if defined(__LP64__)
-    if (x & ULL(0xffffffff00000000)) { y += 32; x >>= 32; }
-#endif
-    if (x & 0xffff0000) { y += 16; x >>= 16; }
-    if (x & 0x0000ff00) { y +=  8; x >>=  8; }
-    if (x & 0x000000f0) { y +=  4; x >>=  4; }
-    if (x & 0x0000000c) { y +=  2; x >>=  2; }
-    if (x & 0x00000002) { y +=  1; }
+    if (ts >= 8 && (ux & ULL(0xffffffff00000000))) { y += 32; ux >>= 32; }
+    if (ts >= 4 && (ux & ULL(0x00000000ffff0000))) { y += 16; ux >>= 16; }
+    if (ts >= 2 && (ux & ULL(0x000000000000ff00))) { y +=  8; ux >>=  8; }
+    if (ux & ULL(0x00000000000000f0)) { y +=  4; ux >>=  4; }
+    if (ux & ULL(0x000000000000000c)) { y +=  2; ux >>=  2; }
+    if (ux & ULL(0x0000000000000002)) { y +=  1; }
 
     return y;
 }
 
-inline int
-floorLog2(unsigned long long x)
-{
-    assert(x > 0);
-
-    int y = 0;
-
-    if (x & ULL(0xffffffff00000000)) { y += 32; x >>= 32; }
-    if (x & ULL(0x00000000ffff0000)) { y += 16; x >>= 16; }
-    if (x & ULL(0x000000000000ff00)) { y +=  8; x >>=  8; }
-    if (x & ULL(0x00000000000000f0)) { y +=  4; x >>=  4; }
-    if (x & ULL(0x000000000000000c)) { y +=  2; x >>=  2; }
-    if (x & ULL(0x0000000000000002)) { y +=  1; }
-
-    return y;
-}
-
-inline int
-floorLog2(int x)
-{
-    assert(x > 0);
-    return floorLog2((unsigned)x);
-}
-
-inline int
-floorLog2(long x)
-{
-    assert(x > 0);
-    return floorLog2((unsigned long)x);
-}
-
-inline int
-floorLog2(long long x)
-{
-    assert(x > 0);
-    return floorLog2((unsigned long long)x);
-}
-
 template <class T>
 inline int
 ceilLog2(const T& n)
@@ -143,7 +89,9 @@ template <class T>
 inline bool
 isPowerOf2(const T& n)
 {
-    return n != 0 && floorLog2(n) == ceilLog2(n);
+    // If n is non-zero, and subtracting one borrows all the way to the MSB
+    // and flips all bits, then this is a power of 2.
+    return n && !(n & (n - 1));
 }
 
 template <class T, class U>
index f869ffe81f2815a9a0ab88f9ec24be6f3c7e44b9..5740bd4b863d106a27b356b79cc595cda428fe4c 100644 (file)
@@ -58,6 +58,24 @@ TEST(IntmathTest, floorLog2)
     EXPECT_EQ(16, floorLog2(65537));
     EXPECT_EQ(20, floorLog2(1783592));
     EXPECT_EQ(41, floorLog2(2821109907456));
+
+    // Test unsigned integers of various sizes.
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((uint8_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((uint16_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((uint32_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((uint64_t)1));
+
+    // Test signed integers of various sizes.
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((int8_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((int16_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((int32_t)1));
+    EXPECT_EQ(0, floorLog2((int64_t)1));
+}
+
+TEST(IntmathDeathTest, floorLog2)
+{
+    // Verify a non-positive input triggers an assert.
+    EXPECT_DEATH_IF_SUPPORTED(floorLog2(0), "x > 0");
 }
 
 TEST(IntmathTest, ceilLog2)