有效地将 CPU 寄存器中的所有位设置为 1
Set all bits in CPU register to 1 efficiently
要清除所有位，您经常会看到 XOR eax, eax 中的异或。对面也有这样的技巧吗？
我能想到的就是用额外的指令反转零。
对于大多数具有固定宽度指令的体系结构，答案可能是无聊的单指令 mov 符号扩展或反转立即数，或一对 mov lo/high。例如在 ARM 上，mvn r0, #0（不移动）。请参阅 x86、ARM、ARM64 和 MIPS 的 gcc asm 输出，on the Godbolt compiler explorer。 IDK 任何有关 zseries asm 或机器代码的信息。
在 ARM 中，eor r0,r0,r0 明显比 mov-immediate 差。它取决于旧值，没有特殊情况处理。内存依赖排序规则 prevent an ARM uarch from special-casing it even if they wanted to. 大多数其他具有弱排序内存的 RISC ISA 也是如此，但不需要 memory_order_consume 的障碍（在 C++11 术语中）。
x86 异或归零是特殊的，因为它的可变长度指令集。
历史上8086xor ax,ax直接就快，因为小。由于习惯用法被广泛使用（归零比全一更常见），CPU 设计师给予了它特殊的支持，现在 xor eax,eax 在英特尔 Sandybridge 系列上比 mov eax,0 更快和其他一些 CPUs，即使不考虑直接和间接代码大小的影响。请参阅 ，了解我所能挖掘的尽可能多的微架构优势。
如果 x86 有一个固定宽度的指令集，我想知道 mov reg, 0 是否会得到像异或归零一样多的特殊待遇？也许，因为在编写 low8 或 low16 之前打破依赖关系很重要。
最佳性能的标准选项：
mov eax, -1：5个字节，使用mov r32, imm32编码。 （不幸的是，没有符号扩展 mov r32, imm8）。在所有 CPU 上表现出色。 6 个字节用于 r8-r15（REX 前缀）。mov rax, -1：7个字节，使用mov r/m64, sign-extended-imm32编码。 （不是 eax 版本的 REX.W=1 版本。那将是 10 字节 mov r64, imm64）。在所有 CPU 上表现出色。
节省一些代码大小的奇怪选项通常 以牺牲性能为代价:
xor eax,eax/dec rax（或not rax）：5 个字节（32 位 eax 为 4 个字节）。缺点：前端有两个微指令。在最近的 Intel 上，scheduler/execution 单元仍然只有一个未融合域 uop，其中 在前端处理。 mov-立即总是需要一个执行单元。 （但整数 ALU 吞吐量很少成为可以使用任何端口的指令的瓶颈；额外的前端压力是问题所在） xor ecx,ecx / lea eax, [rcx-1] 2 个常量总共 5 个字节（rax 为 6 个字节）：留下一个单独的归零寄存器。如果您已经想要一个清零的寄存器，那么这几乎没有任何缺点。 lea 可以 运行 在大多数 CPU 上比 mov r,i 更少的端口，但是由于这是新依赖链的开始，CPU 可以 运行 它在它发出后的任何备用执行端口周期中。
同样的技巧适用于任何两个附近的常量，如果你用 mov reg, imm32 做第一个，用 lea r32, [base + disp8] 做第二个。 disp8 的范围是 -128 到 +127，否则你需要 disp32.
or eax, -1：3 个字节（rax 为 4 个字节），使用 or r/m32, sign-extended-imm8 编码。缺点：对寄存器旧值的错误依赖。
push -1 / pop rax：3 个字节。慢但小。仅推荐用于漏洞利用/代码高尔夫。 适用于任何符号扩展的 imm8，与其他大多数不同。
缺点：
- 使用存储和加载执行单元，而不是 ALU。 （在只有两个整数执行管道的 AMD Bulldozer 系列的极少数情况下可能具有吞吐量优势，但 decode/issue/retire 吞吐量高于此。但不要在没有测试的情况下尝试。）
例如，- store/reload 延迟意味着
rax 在 Skylake 上执行后约 5 个周期无法准备好。
- （英特尔）：将堆栈引擎置于 rsp 修改模式，因此下次您直接读取
rsp 时，它将采用堆栈同步 uop。 （例如 add rsp, 28，或 mov eax, [rsp+8]）。
- 存储可能在缓存中丢失，从而触发额外的内存流量。 （如果您没有在长循环中触及堆栈，则可能）。
矢量 regs 不同
使用 pcmpeqd xmm0,xmm0 将向量寄存器设置为全一是大多数 CPU 的特殊情况，因为依赖性破坏（不是 Silvermont/KNL), 但仍然需要一个执行单元来实际编写这些。 pcmpeqb/w/d/q 一切正常，但 q 在某些 CPU 上速度较慢。
对于AVX2，ymm等价的vpcmpeqd ymm0, ymm0, ymm0也是最好的选择。
对于没有 AVX2 的 AVX，选择不太明确：没有明显的最佳方法。编译器使用 various strategies：gcc 更喜欢用 vmovdqa 加载一个 32 字节常量，而旧的 clang 使用 128 位 vpcmpeqd 后跟一个交叉通道 vinsertf128 来填充高一半。较新的 clang 使用 vxorps 将寄存器归零，然后 vcmptrueps 将其填充。这在道德上等同于 vpcmpeqd 方法，但需要 vxorps 来打破对寄存器先前版本的依赖，并且 vcmptrueps 的延迟为 3。它使一个合理的默认选择。
从 32 位值执行 vbroadcastss 可能严格来说优于加载方法，但很难让编译器生成它。
最好的方法可能取决于周围的代码。
AVX512 比较仅适用于掩码寄存器（如 k0）作为目标，因此编译器当前使用 vpternlogd zmm0,zmm0,zmm0, 0xff 作为 512b 的全一习语。 （0xff 使 3-input truth-table 的每个元素成为 1）。这不是 KNL 或 SKL 上的依赖性破坏的特殊情况，但它在 Skylake-AVX512 上具有每时钟 2 个吞吐量。这比使用更窄的依赖性破坏 AVX all-ones 和广播或洗牌要好。
如果您需要在循环中重新生成全一，显然最有效的方法是使用 vmov* 复制一个全一寄存器。这甚至不使用现代 CPUs 上的执行单元（但仍占用前端问题带宽）。但是如果你没有矢量寄存器，加载常量或 [v]pcmpeq[b/w/d] 是不错的选择。
对于 AVX512，值得尝试 VPMOVM2D zmm0, k0 或者 VPBROADCASTD zmm0, eax。每个都有 only 1c throughput，但它们应该打破对 zmm0 旧值的依赖（不像 vpternlogd）。它们需要一个掩码或整数寄存器，您可以使用 kxnorw k1,k0,k0 或 mov eax, -1.
在循环外对其进行初始化
对于 AVX512 掩码寄存器，kxnorw k1,k0,k0 有效，但它不会破坏当前的 CPUs。 Intel's optimization manual 建议在收集指令之前使用它来生成全 1，但建议避免使用与输出相同的输入寄存器。这避免了使一个在其他方面独立的收集依赖于循环中的前一个收集。由于 k0 通常不被使用，因此通常是一个不错的阅读选择。
我认为 vpcmpeqd k1, zmm0,zmm0 会起作用，但它可能不是特殊情况下的 k0=1 习语，不依赖于 zmm0。 （要设置所有 64 位而不只是低 16 位，请使用 AVX512BW vpcmpeqb）
在 Skylake-AVX512 上，k 操作屏蔽寄存器 , even simple ones like kandw 的指令。 （另请注意，当管道中有任何 512b 操作时，Skylake-AVX512 不会 运行 端口 1 上的矢量微指令，因此执行单元吞吐量可能是一个真正的瓶颈。）
没有kmov k0, imm，只能从整数或内存中移动。可能没有 k 指令将 same,same 检测为特殊指令，因此 issue/rename 阶段的硬件不会为 k 寄存器寻找它。
Peter 已经给出了完美的答案。我只是想提一下，这也取决于上下文。
我曾经做过 sar r64, 63 一个数字，我知道在某些情况下会是负数，如果不是，我不需要所有位设置值。 sar 的优点是它设置了一些有趣的标志，尽管解码 63，真的吗？那么我也可以做 mov r64, -1。我猜是旗帜让我无论如何都可以这样做。
所以底线：上下文。如您所知，您通常会钻研汇编语言，因为您想要处理您拥有的额外知识，但编译器没有。也许您不再需要其值的某些寄存器存储了 1（如此合乎逻辑 true），然后只是 neg。也许在你的程序的前面某个地方你做了一个 loop，然后（假设它是可管理的）你可以安排你的寄存器使用，所以一个 not rcx 就是所缺少的。
要清除所有位，您经常会看到 XOR eax, eax 中的异或。对面也有这样的技巧吗？
我能想到的就是用额外的指令反转零。
对于大多数具有固定宽度指令的体系结构，答案可能是无聊的单指令 mov 符号扩展或反转立即数，或一对 mov lo/high。例如在 ARM 上，mvn r0, #0（不移动）。请参阅 x86、ARM、ARM64 和 MIPS 的 gcc asm 输出，on the Godbolt compiler explorer。 IDK 任何有关 zseries asm 或机器代码的信息。
在 ARM 中，eor r0,r0,r0 明显比 mov-immediate 差。它取决于旧值，没有特殊情况处理。内存依赖排序规则 prevent an ARM uarch from special-casing it even if they wanted to. 大多数其他具有弱排序内存的 RISC ISA 也是如此，但不需要 memory_order_consume 的障碍（在 C++11 术语中）。
x86 异或归零是特殊的，因为它的可变长度指令集。
历史上8086xor ax,ax直接就快，因为小。由于习惯用法被广泛使用（归零比全一更常见），CPU 设计师给予了它特殊的支持，现在 xor eax,eax 在英特尔 Sandybridge 系列上比 mov eax,0 更快和其他一些 CPUs，即使不考虑直接和间接代码大小的影响。请参阅
如果 x86 有一个固定宽度的指令集，我想知道 mov reg, 0 是否会得到像异或归零一样多的特殊待遇？也许，因为在编写 low8 或 low16 之前打破依赖关系很重要。
最佳性能的标准选项：
mov eax, -1：5个字节，使用mov r32, imm32编码。 （不幸的是，没有符号扩展mov r32, imm8）。在所有 CPU 上表现出色。 6 个字节用于 r8-r15（REX 前缀）。mov rax, -1：7个字节，使用mov r/m64, sign-extended-imm32编码。 （不是eax版本的 REX.W=1 版本。那将是 10 字节mov r64, imm64）。在所有 CPU 上表现出色。
节省一些代码大小的奇怪选项通常 以牺牲性能为代价:
xor eax,eax/dec rax（或not rax）：5 个字节（32 位eax为 4 个字节）。缺点：前端有两个微指令。在最近的 Intel 上，scheduler/execution 单元仍然只有一个未融合域 uop，其中mov-立即总是需要一个执行单元。 （但整数 ALU 吞吐量很少成为可以使用任何端口的指令的瓶颈；额外的前端压力是问题所在）xor ecx,ecx/lea eax, [rcx-1]2 个常量总共 5 个字节（rax为 6 个字节）：留下一个单独的归零寄存器。如果您已经想要一个清零的寄存器，那么这几乎没有任何缺点。lea可以 运行 在大多数 CPU 上比mov r,i更少的端口，但是由于这是新依赖链的开始，CPU 可以 运行 它在它发出后的任何备用执行端口周期中。同样的技巧适用于任何两个附近的常量，如果你用
mov reg, imm32做第一个，用lea r32, [base + disp8]做第二个。 disp8 的范围是 -128 到 +127，否则你需要disp32.or eax, -1：3 个字节（rax为 4 个字节），使用or r/m32, sign-extended-imm8编码。缺点：对寄存器旧值的错误依赖。push -1/pop rax：3 个字节。慢但小。仅推荐用于漏洞利用/代码高尔夫。 适用于任何符号扩展的 imm8，与其他大多数不同。缺点：
- 使用存储和加载执行单元，而不是 ALU。 （在只有两个整数执行管道的 AMD Bulldozer 系列的极少数情况下可能具有吞吐量优势，但 decode/issue/retire 吞吐量高于此。但不要在没有测试的情况下尝试。） 例如，
- store/reload 延迟意味着
rax在 Skylake 上执行后约 5 个周期无法准备好。 - （英特尔）：将堆栈引擎置于 rsp 修改模式，因此下次您直接读取
rsp时，它将采用堆栈同步 uop。 （例如add rsp, 28，或mov eax, [rsp+8]）。 - 存储可能在缓存中丢失，从而触发额外的内存流量。 （如果您没有在长循环中触及堆栈，则可能）。
矢量 regs 不同
使用 pcmpeqd xmm0,xmm0 将向量寄存器设置为全一是大多数 CPU 的特殊情况，因为依赖性破坏（不是 Silvermont/KNL), 但仍然需要一个执行单元来实际编写这些。 pcmpeqb/w/d/q 一切正常，但 q 在某些 CPU 上速度较慢。
对于AVX2，ymm等价的vpcmpeqd ymm0, ymm0, ymm0也是最好的选择。
对于没有 AVX2 的 AVX，选择不太明确：没有明显的最佳方法。编译器使用 various strategies：gcc 更喜欢用 vmovdqa 加载一个 32 字节常量，而旧的 clang 使用 128 位 vpcmpeqd 后跟一个交叉通道 vinsertf128 来填充高一半。较新的 clang 使用 vxorps 将寄存器归零，然后 vcmptrueps 将其填充。这在道德上等同于 vpcmpeqd 方法，但需要 vxorps 来打破对寄存器先前版本的依赖，并且 vcmptrueps 的延迟为 3。它使一个合理的默认选择。
从 32 位值执行 vbroadcastss 可能严格来说优于加载方法，但很难让编译器生成它。
最好的方法可能取决于周围的代码。
AVX512 比较仅适用于掩码寄存器（如 k0）作为目标，因此编译器当前使用 vpternlogd zmm0,zmm0,zmm0, 0xff 作为 512b 的全一习语。 （0xff 使 3-input truth-table 的每个元素成为 1）。这不是 KNL 或 SKL 上的依赖性破坏的特殊情况，但它在 Skylake-AVX512 上具有每时钟 2 个吞吐量。这比使用更窄的依赖性破坏 AVX all-ones 和广播或洗牌要好。
如果您需要在循环中重新生成全一，显然最有效的方法是使用 vmov* 复制一个全一寄存器。这甚至不使用现代 CPUs 上的执行单元（但仍占用前端问题带宽）。但是如果你没有矢量寄存器，加载常量或 [v]pcmpeq[b/w/d] 是不错的选择。
对于 AVX512，值得尝试 VPMOVM2D zmm0, k0 或者 VPBROADCASTD zmm0, eax。每个都有 only 1c throughput，但它们应该打破对 zmm0 旧值的依赖（不像 vpternlogd）。它们需要一个掩码或整数寄存器，您可以使用 kxnorw k1,k0,k0 或 mov eax, -1.
对于 AVX512 掩码寄存器，kxnorw k1,k0,k0 有效，但它不会破坏当前的 CPUs。 Intel's optimization manual 建议在收集指令之前使用它来生成全 1，但建议避免使用与输出相同的输入寄存器。这避免了使一个在其他方面独立的收集依赖于循环中的前一个收集。由于 k0 通常不被使用，因此通常是一个不错的阅读选择。
我认为 vpcmpeqd k1, zmm0,zmm0 会起作用，但它可能不是特殊情况下的 k0=1 习语，不依赖于 zmm0。 （要设置所有 64 位而不只是低 16 位，请使用 AVX512BW vpcmpeqb）
在 Skylake-AVX512 上，k 操作屏蔽寄存器 kandw 的指令。 （另请注意，当管道中有任何 512b 操作时，Skylake-AVX512 不会 运行 端口 1 上的矢量微指令，因此执行单元吞吐量可能是一个真正的瓶颈。）
没有kmov k0, imm，只能从整数或内存中移动。可能没有 k 指令将 same,same 检测为特殊指令，因此 issue/rename 阶段的硬件不会为 k 寄存器寻找它。
Peter 已经给出了完美的答案。我只是想提一下，这也取决于上下文。
我曾经做过 sar r64, 63 一个数字，我知道在某些情况下会是负数，如果不是，我不需要所有位设置值。 sar 的优点是它设置了一些有趣的标志，尽管解码 63，真的吗？那么我也可以做 mov r64, -1。我猜是旗帜让我无论如何都可以这样做。
所以底线：上下文。如您所知，您通常会钻研汇编语言，因为您想要处理您拥有的额外知识，但编译器没有。也许您不再需要其值的某些寄存器存储了 1（如此合乎逻辑 true），然后只是 neg。也许在你的程序的前面某个地方你做了一个 loop，然后（假设它是可管理的）你可以安排你的寄存器使用，所以一个 not rcx 就是所缺少的。