ES6 simd


概述


SIMD（发音/sim-dee/）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。比如，Canvas的getImageData()会将图像文件读成一个二进制数组，SIMD就很适合对于这种数组的处理。


总得来说，SIMD是数据并行处理（parallelism）的一种手段，可以加速一些运算密集型操作的速度。


数据类型


SIMD提供12种数据类型，总长度都是128个二进制位。



  • 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


每种数据类型被x符号分隔成两部分，后面的部分表示通道数，前面的部分表示每个通道的宽度和类型。比如，Float32x4就表示这个值有4个通道，每个通道是一个32位浮点数。


每个通道之中，可以放置四种数据。



  • 浮点数（float，比如1.0）

  • 带符号的整数（Int，比如-1）

  • 无符号的整数（Uint，比如1）

  • 布尔值（Bool，包含true和false两种值）


每种SIMD的数据类型都是一个函数方法，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（即四个通道）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

静态方法：数学运算


每种数据类型都有一系列运算符，支持基本的数学运算。


SIMD.%type%.abs()，SIMD.%type%.neg()


abs方法接受一个SIMD值作为参数，将它的每个通道都转成绝对值，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(-1, -2, 0, NaN);
SIMD.Float32x4.abs(a)
// Float32x4[1, 2, 0, NaN]

neg方法接受一个SIMD值作为参数，将它的每个通道都转成负值，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(-1, -2, 3, 0);
SIMD.Float32x4.neg(a)
// Float32x4[1, 2, -3, -0]
var b = SIMD.Float64x2(NaN, Infinity);
SIMD.Float64x2.neg(b)
// Float64x2[NaN, -Infinity]

SIMD.%type%.add()，SIMD.%type%.addSaturate()


add方法接受两个SIMD值作为参数，将它们的每个通道相加，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
var b = SIMD.Float32x4(5.0, 10.0, 15.0, 20.0);
var c = SIMD.Float32x4.add(a, b);

上面代码中，经过加法运算，新的SIMD值为(6.0, 12.0, 18.0. 24.0)。


addSaturate方法跟add方法的作用相同，都是两个通道相加，但是溢出的处理不一致。对于add方法，如果两个值相加发生溢出，溢出的二进制位会被丢弃; addSaturate方法则是返回该数据类型的最大值。


var a = SIMD.Uint16x8(65533, 65534, 65535, 65535, 1, 1, 1, 1);
var b = SIMD.Uint16x8(1, 1, 1, 5000, 1, 1, 1, 1);
SIMD.Uint16x8.addSaturate(a, b);
// Uint16x8[65534, 65535, 65535, 65535, 2, 2, 2, 2]
var c = SIMD.Int16x8(32765, 32766, 32767, 32767, 1, 1, 1, 1);
var d = SIMD.Int16x8(1, 1, 1, 5000, 1, 1, 1, 1);
SIMD.Int16x8.addSaturate(c, d);
// Int16x8[32766, 32767, 32767, 32767, 2, 2, 2, 2]

上面代码中，Uint16的最大值是65535，Int16的最大值是32767。一旦发生溢出，就返回这两个值。


注意，Uint32x4和Int32x4这两种数据类型没有addSaturate方法。


SIMD.%type%.sub()，SIMD.%type%.subSaturate()


sub方法接受两个SIMD值作为参数，将它们的每个通道相减，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(-1, -2, 3, 4);
var b = SIMD.Float32x4(3, 3, 3, 3);
SIMD.Float32x4.sub(a, b)
// Float32x4[-4, -5, 0, 1]

subSaturate方法跟sub方法的作用相同，都是两个通道相减，但是溢出的处理不一致。对于sub方法，如果两个值相减发生溢出，溢出的二进制位会被丢弃; subSaturate方法则是返回该数据类型的最小值。


var a = SIMD.Uint16x8(5, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1);
var b = SIMD.Uint16x8(10, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1);
SIMD.Uint16x8.subSaturate(a, b)
// Uint16x8[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
var c = SIMD.Int16x8(-100, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
var d = SIMD.Int16x8(32767, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
SIMD.Int16x8.subSaturate(c, d)
// Int16x8[-32768, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

上面代码中，Uint16的最小值是0，subSaturate的最小值是-32678。一旦运算发生溢出，就返回最小值。


SIMD.%type%.mul()，SIMD.%type%.div()，SIMD.%type%.sqrt()


mul方法接受两个SIMD值作为参数，将它们的每个通道相乘，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(-1, -2, 3, 4);
var b = SIMD.Float32x4(3, 3, 3, 3);
SIMD.Float32x4.mul(a, b)
// Float32x4[-3, -6, 9, 12]

div方法接受两个SIMD值作为参数，将它们的每个通道相除，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(2, 2, 2, 2);
var b = SIMD.Float32x4(4, 4, 4, 4);
SIMD.Float32x4.div(a, b)
// Float32x4[0.5, 0.5, 0.5, 0.5]

sqrt方法接受一个SIMD值作为参数，求出每个通道的平方根，作为一个新的SIMD值返回。


var b = SIMD.Float64x2(4, 8);
SIMD.Float64x2.sqrt(b)
// Float64x2[2, 2.8284271247461903]

SIMD.%FloatType%.reciprocalApproximation()，SIMD.%type%.reciprocalSqrtApproximation()


reciprocalApproximation方法接受一个SIMD值作为参数，求出每个通道的倒数（1 / x），作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 4);
SIMD.Float32x4.reciprocalApproximation(a);
// Float32x4[1, 0.5, 0.3333333432674408, 0.25]

reciprocalSqrtApproximation方法接受一个SIMD值作为参数，求出每个通道的平方根的倒数（1 / (x^0.5)），作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 4);
SIMD.Float32x4.reciprocalSqrtApproximation(a)
// Float32x4[1, 0.7071067690849304, 0.5773502588272095, 0.5]

注意，只有浮点数的数据类型才有这两个方法。


SIMD.%IntegerType%.shiftLeftByScalar()


shiftLeftByScalar方法接受一个SIMD值作为参数，然后将每个通道的值左移指定的位数，作为一个新的SIMD值返回。


var a = SIMD.Int32x4(1, 2, 4, 8);
SIMD.Int32x4.shiftLeftByScalar(a, 1);
// Int32x4[2, 4, 8, 16]

如果左移后，新的值超出了当前数据类型的位数，溢出的部分会被丢弃。


var ix4 = SIMD.Int32x4(1, 2, 3, 4);
var jx4 = SIMD.Int32x4.shiftLeftByScalar(ix4, 32);
// Int32x4[0, 0, 0, 0]

注意，只有整数的数据类型才有这个方法。


SIMD.%IntegerType%.shiftRightByScalar()


shiftRightByScalar方法接受一个SIMD值作为参数，然后将每个通道的值右移指定的位数，返回一个新的SIMD值。


var a = SIMD.Int32x4(1, 2, 4, -8);
SIMD.Int32x4.shiftRightByScalar(a, 1);
// Int32x4[0, 1, 2, -4]

如果原来通道的值是带符号的值，则符号位保持不变，不受右移影响。如果是不带符号位的值，则右移后头部会补0。


var a = SIMD.Uint32x4(1, 2, 4, -8);
SIMD.Uint32x4.shiftRightByScalar(a, 1);
// Uint32x4[0, 1, 2, 2147483644]

上面代码中，-8右移一位变成了2147483644，是因为对于32位无符号整数来说，-8的二进制形式是11111111111111111111111111111000，右移一位就变成了01111111111111111111111111111100，相当于2147483644。


注意，只有整数的数据类型才有这个方法。


静态方法：通道处理


SIMD.%type%.check()


check方法用于检查一个值是否为当前类型的SIMD值。如果是的，就返回这个值，否则就报错。


var a = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 9);
SIMD.Float32x4.check(a);
// Float32x4[1, 2, 3, 9]
SIMD.Float32x4.check([1,2,3,4]) // 报错
SIMD.Int32x4.check(a) // 报错
SIMD.Int32x4.check('hello world') // 报错

SIMD.%type%.extractLane()，SIMD.%type%.replaceLane()


extractLane方法用于返回给定通道的值。它接受两个参数，分别是SIMD值和通道编号。


var t = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 4);
SIMD.Float32x4.extractLane(t, 2) // 3

replaceLane方法用于替换指定通道的值，并返回一个新的SIMD值。它接受三个参数，分别是原来的SIMD值、通道编号和新的通道值。


var t = SIMD.Float32x4(1, 2, 3, 4);
SIMD.Float32x4.replaceLane(t, 2, 42)
// Float32x4[1, 2, 42, 4]

SIMD.%type%.load()


load方法用于从二进制数组读入数据，生成一个新的SIMD值。


var a = new Int32Array([1,2,3,4,5,6,7,8]);
SIMD.Int32x4.load(a, 0);
// Int32x4[1, 2, 3, 4]
var b = new Int32Array([1,
  
原文地址：http://www.chinasgp.cn/article/5337.html



  
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