Go语言中的SIMD加速：以矩阵加法为例

本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/07/21/simd-in-go

前些日子，一些资深Gopher，比如fasthttp的作者Aliaksandr Valialkin因函数迭代器加入Go 1.23版本而抱怨Go的演进走错了方向：朝着增加复杂性和隐式代码执行的方向发展，而没有专注于Go语言的基本设计哲学——简单性、生产力和性能。Valialkin希望Go团队能专注于一些性能打磨和优化的环节，比如使用SIMD提升一些计算场景下Go代码的性能，避免Go的某些领地被以性能和安全性著称的Rust抢去！

无独有偶，在Go项目issues中，我们也能看到很多有关希望Go支持SIMD指令的issue，比如近期的一个proposal，就期望Go团队可以在标准库中添加simd包以支持高性能的SIMD计算，就像Rust std::simd那样。当然，早期这类issue也有很多，比如：issue 53171、issue 58610等。

那么什么是SIMD指令？在Go官方尚未支持simd包或SIMD计算的情况下，如何在Go中使用SIMD指令进行计算加速呢？在这篇文章中，我们就来做个入门版介绍，并以一个最简单的矩阵加法的示例来展示一下SIMD指令的加速效果。

1. SIMD指令简介

SIMD是“单指令多数据”(Single Instruction Multiple Data)的缩写。与之对应的则是SISD（Single Instruction, Single Data），即“单指令单数据”。

在大学学习汇编时，用于举例的汇编指令通常是SISD指令，比如常见的ADD、MOV、LEA、XCHG等。这些指令每执行一次，仅处理一个数据项。早期的x86架构下，SISD指令处理的数据仅限于8字节（64位）或更小的数据。随着处理器架构的发展，特别是x86-64架构的引入，SISD指令也能处理更大的数据项，使用更大的寄存器。但SISD指令每次仍然只处理一个数据项，即使这个数据项可能比较大。

相反，SIMD指令是一种特殊的指令集，它可以让处理器可以同时处理多个数据项，提高计算效率。我们可以用下面这个更为形象生动的比喻来体会SIMD和SISD的差别。

想象你是一个厨师，需要切100个苹果。普通的方式是一次切一个苹果，这就像普通的SISD处理器指令。而SIMD指令就像是你突然多了几双手，可以同时切4个或8个苹果。显然，多手同时工作会大大提高切苹果的速度。

具体来说，SIMD指令的优势在于以下几点：

并行处理：一条指令可以同时对多个数据进行相同的操作。
数据打包：将多个较小的数据(如32位浮点数)打包到一个较大的寄存器(如256位)中。
提高数据吞吐量：每个时钟周期可以处理更多的数据。

这种并行处理方式特别适合于需要大量重复计算的任务，如图像处理、音频处理、科学计算等。通过使用SIMD指令，可以显著提高这些应用的性能。

主流的x86-64(amd64)和arm系列CPU都有对SIMD指令的支持。以x86-64为例，该CPU体系下支持的SIMD指令就包括MMX(MultiMedia eXtensions)、SSE (Streaming SIMD Extensions)、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4、AVX(Advanced Vector Extensions)、AVX2以及AVX-512等。ARM架构下也有对应的SIMD指令集，包括VFP (Vector Floating Point)、NEON (Advanced SIMD)、SVE (Scalable Vector Extension)、SVE2以及Helium (M-Profile Vector Extension, MVE)等。

注：在Linux上，你可以通过lscpu或cat /proc/cpuinfo来查看当前主机cpu支持的SIMD指令集的种类。
注：Go在Go 1.11版本才开始支持AVX-512指令。

每类SIMD指令集都有其特定的优势和应用场景，以x86-64下的SIMD指令集为例：

MMX主要用于早期的多媒体处理；
SSE系列逐步改进了浮点运算和整数运算能力，广泛应用于图形处理和音视频编码；
AVX系列大幅提高了并行处理能力，特别适合科学计算和高性能计算场景。

x86-64下SIMD指令集演进

这些指令集的演进反映了处理器技术的发展和应用需求的变化。从支持64位计算的MMX到支持512位计算的AVX-512，SIMD指令的并行处理能力不断提升，更多更大的寄存器加入进来，为各种复杂的计算任务提供了强大的硬件支持。

注：SSE和AVX各自有16个寄存器，SSE的16个寄存器为XMM0-XMM15，XMM是128位寄存器，而YMM是256位寄存器。支持AVX的x86-64处理器包含16个256位大小的寄存器，从YMM0到YMM15。每个YMM寄存器的低128位是相对应的XMM寄存器。大多数AVX指令可以使用任何一个XMM或者YMM寄存器作为SIMD操作数。AVX512将每个AVXSIMD寄存器的大小从256位扩展到512位，称为ZMM寄存器；符合AVX512标准的处理器包含32个ZMM寄存器，从ZMM0~ZMM31。YMM和XMM寄存器分别对应于每个ZMM寄存器的低256位和低128位。

既然SIMD指令这么好，那么在Go中应该如何使用SIMD指令呢？接下来我们就来看看。

2. 在Go中如何使用SIMD指令

Go主要面向的是云计算领域、微服务领域，这些领域中对计算性能的要求相对没那么极致。以至于在一些对性能要求较高的场景，比如高性能计算、图形学、数字信号处理等领域，很多gopher会遇到对Go计算性能进行优化的需求。

纯计算领域，怎么优化呢？此时此刻，Go官方并没有提供对SIMD提供支持的simd包。

一种想法是使用cgo机制在Go中调用更快的C或C++，但cgo的负担又不能不考虑，cgo不是go，很多人不愿意引入cgo。

另外一种想法就是再向下一层，直接上汇编，在汇编中直接利用SIMD指令实现并行计算。但手写汇编难度是很高的，手写Plan9风格、资料甚少的Go汇编难度则更高。那么有什么方法避免直接手搓汇编呢？目前看大致有这么几种(如果有更好的方法，欢迎在评论区提出你的建议)：

使用c2goasm(https://github.com/minio/c2goasm/)转换

我们可以先用c/c++实现对应的函数功能(可以利用类似intel提供的面向simd的intrisic functions)，然后生成汇编代码(基于clang)，再用c2goasm转换为go语言汇编。不过目前c2goasm已经public archive了，并且该方法应用受很多因素限制，比如clang版本和特定的编译选项啥的。亲测这种方法上手难度较高。

使用uber工程师Michael McLoughlin开源的avo来生成go汇编

avo(https://github.com/mmcloughlin/avo)是一个go包，它支持以一种相对高级一些的Go语法来编写汇编，至少你可以不必直面那些晦涩难懂的汇编代码。但使用avo编写汇编也不是很容易的事情，你仍然需要大致知道汇编的运作原理和基本的编写规则。此外avo与汇编的能力并非完全等价，其作者声明：avo也还处于实验阶段。

使用goplus/llgo集成c/c++生态

在go中调用c的cgo机制不受待见，llgo反其道而行之，将go、python、c/c++等代码统统转换为llvm中间代码进而通过clang编译和优化为可执行文件。这样就可以直接利用python、c/c++的生态，进而利用高性能的c/c++实现（比如支持SIMD指令）。目前llgo还不成熟，七牛云老板许式伟正在全力开发llgo，等llgo成熟后，这后续可能也是一种选择。

考虑到Go目前不直接支持intel intrisic functions for SIMD，要在Go中使用SIMD只能直接使用汇编。而在手搓汇编难度太高的情况下，通过avo生成汇编便是一条可以尝试的路径，我们可以将一些计算的核心部分用avo生成的汇编来进行加速。

接下来，我们就来通过一个矩阵加法的示例看看SIMD指令的加速效果。基于SIMD指令的矩阵加法的汇编逻辑，我们采用avo实现。

3. 第一版SIMD优化(基于SSE)

我们使用avo先来实现一版基于SSE指令集的矩阵加法。前面说过avo是一个Go库，我们无需安装任何二进制程序，直接使用avo库中的类型和函数编写矩阵加法的实现即可：

// simd-in-go/matadd-sse/pkg/asm.go

//go:build ignore
// +build ignore

package main

import (
    "github.com/mmcloughlin/avo/attr"
    . "github.com/mmcloughlin/avo/build"
    . "github.com/mmcloughlin/avo/operand"
)

func main() {
    TEXT("MatrixAddSIMD", attr.NOSPLIT, "func(a, b, c []float32)")
    a := Mem{Base: Load(Param("a").Base(), GP64())}
    b := Mem{Base: Load(Param("b").Base(), GP64())}
    c := Mem{Base: Load(Param("c").Base(), GP64())}
    n := Load(Param("a").Len(), GP64())

    X0 := XMM()
    X1 := XMM()

    Label("loop")
    CMPQ(n, U32(4))
    JL(LabelRef("done"))

    MOVUPS(a.Offset(0), X0)
    MOVUPS(b.Offset(0), X1)
    ADDPS(X1, X0)
    MOVUPS(X0, c.Offset(0))

    ADDQ(U32(16), a.Base)
    ADDQ(U32(16), b.Base)
    ADDQ(U32(16), c.Base)
    SUBQ(U32(4), n)
    JMP(LabelRef("loop"))

    Label("done")
    RET()

    Generate()
}

第一次看上面这段代码，你是不是觉得即便使用avo来生成矩阵加法的代码，如果你不了解汇编的编写和运行模式，你也是无从下手的。简单说一下这段代码。

首先，该文件是用于生成矩阵加法的汇编代码的，因此该asm.go并不会编译到最终的可执行文件中或测试代码中，这里利用go编译器构建约束将该文件排除在外。

main函数的第一行的TEXT函数定义了一个名为MatrixAddSIMD的函数，使用attr.NOSPLIT属性表示不需要栈分割，函数签名是：

func(a, b, c []float32)

变量a, b, c分别表示输入矩阵a, b和输出矩阵c的内存地址，使用Load函数从参数中加载基地址到GP64返回的通用寄存器。n表示矩阵的长度，使用 Load函数从参数中加载长度到GP64返回的通用寄存器。

X0和X1定义了两个XMM寄存器，用于SIMD操作。

接下来定义了一个循环，在这个循环的循环体中，将通过SSE指令处理输入的矩阵数据：

MOVUPS(a.Offset(0), X0)：将矩阵a的前16字节（4 个float32）加载到XMM寄存器X0。
MOVUPS(b.Offset(0), X1)：将矩阵b的前16字节（4个float32）加载到XMM寄存器X1。
ADDPS(X1, X0)：将X1和X0中的数据相加，结果存入X0。
MOVUPS(X0, c.Offset(0))：将结果从X0存入矩阵c的前16字节。
ADDQ(U32(16), a.Base)：将矩阵a的基地址增加16字节（4个float32）。
ADDQ(U32(16), b.Base)：将矩阵b的基地址增加16字节（4个float32）。
ADDQ(U32(16), c.Base)：将矩阵c的基地址增加16字节（4个float32）。
SUBQ(U32(4), n)：将矩阵长度n减少4。
JMP(LabelRef(“loop”))：无条件跳转到标签loop，继续循环。

最后调用Generate函数生成汇编代码。

下面我们就来运行该代码，生成相应的汇编代码以及stub函数：

$cd matadd-sse/pkg
$make
go run asm.go -out add.s -stubs stub.go

下面是生产的add.s的全部汇编代码：

// simd-in-go/matadd-sse/pkg/add.s

// Code generated by command: go run asm.go -out add.s -stubs stub.go. DO NOT EDIT.

#include "textflag.h"

// func MatrixAddSIMD(a []float32, b []float32, c []float32)
// Requires: SSE
TEXT ·MatrixAddSIMD(SB), NOSPLIT, $0-72
    MOVQ a_base+0(FP), AX
    MOVQ b_base+24(FP), CX
    MOVQ c_base+48(FP), DX
    MOVQ a_len+8(FP), BX

loop:
    CMPQ   BX, $0x00000004
    JL     done
    MOVUPS (AX), X0
    MOVUPS (CX), X1
    ADDPS  X1, X0
    MOVUPS X0, (DX)
    ADDQ   $0x00000010, AX
    ADDQ   $0x00000010, CX
    ADDQ   $0x00000010, DX
    SUBQ   $0x00000004, BX
    JMP    loop

done:
    RET

这里使用的ADDPS、MOVUPS和ADDQ都是SSE指令：

ADDPS (Add Packed Single-Precision Floating-Point Values)：这是一个SSE指令，用于对两个128位的XMM寄存器中的4个单精度浮点数进行并行加法运算。
MOVUPS (Move Unaligned Packed Single-Precision Floating-Point Values): 这也是一个SSE指令，用于在内存和XMM寄存器之间移动128位的单精度浮点数数据。与MOVAPS(Move Aligned Packed Single-Precision Floating-Point Values) 指令不同，MOVUPS不要求地址对齐，可以处理非对齐的数据。

除了生成汇编代码外，asm.go还生成了一个stub函数：MatrixAddSIMD，即上面汇编实现的那个函数。

// simd-in-go/matadd-sse/pkg/stub.go

// Code generated by command: go run asm.go -out add.s -stubs stub.go. DO NOT EDIT.

package pkg

func MatrixAddSIMD(a []float32, b []float32, c []float32)

在matadd-sse/pkg/add-no-simd.go中，我们放置了常规的矩阵加法的实现：

package pkg

func MatrixAddNonSIMD(a, b, c []float32) {
    n := len(a)
    for i := 0; i < n; i++ {
        c[i] = a[i] + b[i]
    }
}

接下来，我们编写一些单测代码，确保一下MatrixAddSIMD和MatrixAddNonSIMD的功能是正确的：

// simd-in-go/matadd-sse/matrix_add_test.go
package main

import (
    "demo/pkg"
    "testing"
)

func TestMatrixAddNonSIMD(t *testing.T) {
    size := 1024
    a := make([]float32, size)
    b := make([]float32, size)
    c := make([]float32, size)
    expected := make([]float32, size)

    for i := 0; i < size; i++ {
        a[i] = float32(i)
        b[i] = float32(i)
        expected[i] = a[i] + b[i]
    }

    pkg.MatrixAddNonSIMD(a, b, c)

    for i := 0; i < size; i++ {
        if c[i] != expected[i] {
            t.Errorf("MatrixAddNonSIMD: expected %f, got %f at index %d", expected[i], c[i], i)
        }
    }
}

func TestMatrixAddSIMD(t *testing.T) {
    size := 1024
    a := make([]float32, size)
    b := make([]float32, size)
    c := make([]float32, size)
    expected := make([]float32, size)

    for i := 0; i < size; i++ {
        a[i] = float32(i)
        b[i] = float32(i)
        expected[i] = a[i] + b[i]
    }

    pkg.MatrixAddSIMD(a, b, c)

    for i := 0; i < size; i++ {
        if c[i] != expected[i] {
            t.Errorf("MatrixAddSIMD: expected %f, got %f at index %d", expected[i], c[i], i)
        }
    }
}

如我们预期的那样，上述单测代码可以顺利通过。接下来，我们再来做一下benchmark，看看使用SSE实现的矩阵加法性能到底提升了多少：

// simd-in-go/matadd-sse/benchmark_test.go
package main

import (
    "demo/pkg"
    "testing"
)

func BenchmarkMatrixAddNonSIMD(tb *testing.B) {
    size := 1024
    a := make([]float32, size)
    b := make([]float32, size)
    c := make([]float32, size)

    for i := 0; i < size; i++ {
        a[i] = float32(i)
        b[i] = float32(i)
    }

    tb.ResetTimer()
    for i := 0; i < tb.N; i++ {
        pkg.MatrixAddNonSIMD(a, b, c)
    }
}

func BenchmarkMatrixAddSIMD(tb *testing.B) {
    size := 1024
    a := make([]float32, size)
    b := make([]float32, size)
    c := make([]float32, size)

    for i := 0; i < size; i++ {
        a[i] = float32(i)
        b[i] = float32(i)
    }

    tb.ResetTimer()
    for i := 0; i < tb.N; i++ {
        pkg.MatrixAddSIMD(a, b, c)
    }
}

运行这个benchmark，我们得到下面结果：

$go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: demo
... ...
BenchmarkMatrixAddNonSIMD-8      2129426           554.4 ns/op
BenchmarkMatrixAddSIMD-8         3481318           357.4 ns/op
PASS
ok      demo    3.350s

我们看到SIMD实现的确性能优秀，几乎在非SIMD实现的基础上提升了一倍。但这似乎还并不足以说明SIMD的优秀。我们再来扩展一下并行处理的数据的数量和宽度，使用AVX指令再来实现一版矩阵加法，看是否还会有进一步的性能提升。

4. 第二版SIMD优化(基于AVX)

下面是基于avo使用AVX指令实现的Go代码：

// simd-in-go/matadd-avx/pkg/asm.go

//go:build ignore
// +build ignore

package main

import (
    "github.com/mmcloughlin/avo/attr"
    . "github.com/mmcloughlin/avo/build"
    . "github.com/mmcloughlin/avo/operand"
)

func main() {
    TEXT("MatrixAddSIMD", attr.NOSPLIT, "func(a, b, c []float32)")
    a := Mem{Base: Load(Param("a").Base(), GP64())}
    b := Mem{Base: Load(Param("b").Base(), GP64())}
    c := Mem{Base: Load(Param("c").Base(), GP64())}
    n := Load(Param("a").Len(), GP64())

    Y0 := YMM()
    Y1 := YMM()

    Label("loop")
    CMPQ(n, U32(8))
    JL(LabelRef("done"))

    VMOVUPS(a.Offset(0), Y0)
    VMOVUPS(b.Offset(0), Y1)
    VADDPS(Y1, Y0, Y0)
    VMOVUPS(Y0, c.Offset(0))

    ADDQ(U32(32), a.Base)
    ADDQ(U32(32), b.Base)
    ADDQ(U32(32), c.Base)
    SUBQ(U32(8), n)
    JMP(LabelRef("loop"))

    Label("done")
    RET()

    Generate()
}

这里的代码与上面sse实现的代码逻辑类似，只是指令换成了avx的指令，包括VMOVUPS、VADDPS等：

VADDPS (Vectorized Add Packed Single-Precision Floating-Point Values): 是AVX (Advanced Vector Extensions) 指令集中的一个指令，用于对两个256位的YMM寄存器中的8个单精度浮点数进行并行加法运算。
VMOVUPS (Vectorized Move Unaligned Packed Single-Precision Floating-Point Values): 这也是一个AVX指令，用于在内存和YMM寄存器之间移动256位的单精度浮点数数据。与MOVUPS指令相比，VMOVUPS可以处理更宽的256位SIMD数据。

由于在SSE实现的版本中做了详细说明，这里就不再赘述代码逻辑，其他单元测试与benchmark测试的代码也都完全相同，我们直接看benchmark的结果：

$go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: demo
... ...
BenchmarkMatrixAddNonSIMD-8      2115284           566.6 ns/op
BenchmarkMatrixAddSIMD-8        10703102           111.5 ns/op
PASS
ok      demo    3.088s

我们看到AVX版的矩阵加法的性能是常规实现的5倍多，是SSE实现的性能的近3倍，在实际生产中，这将大大提升代码的执行效率。

也许还有更优化的实现，但我们已经达到了基于SIMD加速矩阵加法的目的，这里就不再做继续优化了，大家如果有什么新的想法和验证的结果，可以在评论区留言告诉我哦！

5. 小结

在这篇文章中，我们探讨了在Go语言中使用SIMD指令进行计算加速的方法。尽管Go官方目前还没有直接支持SIMD的包，但我们通过使用avo库生成汇编代码的方式，成功实现了基于SSE和AVX指令集的矩阵加法优化。

我们首先介绍了SIMD指令的基本概念和优势，然后讨论了在Go中使用SIMD指令的几种可能方法。接着，我们通过一个具体的矩阵加法示例，展示了如何使用avo库生成基于SSE和AVX指令集的汇编代码。

通过benchmark测试，我们看到基于SSE指令的实现相比常规实现提升了约1.5倍的性能，而基于AVX指令的实现则带来了约5倍的性能提升。这充分说明了SIMD指令在并行计算密集型任务中的强大优势。

虽然直接使用SIMD指令需要一定的汇编知识，增加了代码的复杂性，但在一些对性能要求极高的场景下，这种优化方法仍然是非常有价值的。我希望这篇文章能为Go开发者在进行性能优化时提供一些新的思路和参考。

当然，这里展示的只是SIMD优化的一个简单示例。在实际应用中，可能还需要考虑更多因素，如数据对齐、边界条件处理等。大家可以在此基础上进行更深入的探索和实践。

本文涉及的源码可以在这里下载 – https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/simd-in-go

本文部分源代码由deepseek coder v2实现。

6. 参考资料

Intel Intrinsics Guide – https://www.intel.com/content/www/us/en/docs/intrinsics-guide/index.html
Go Wiki: AVX512 – https://go.dev/wiki/AVX512
A Manual for the Plan 9 assembler – http://doc.cat-v.org/plan_9/4th_edition/papers/asm
From slow to SIMD: A Go optimization story – https://sourcegraph.com/blog/slow-to-simd
Efficient and performance-portable vector software – https://github.com/google/highway
并行处理-SIMD – https://www.slidestalk.com/u231/simd_computer
玩转SIMD指令编程 – https://zhuanlan.zhihu.com/p/591900754

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