作者：zyl910。
之前的ccpuid V1.02的mmx/sse指令可用性檢查存在缺陷。現在的V1.03版改進了mmx/sse指令可用性檢查，使用signal、setjmp，能夠支持純C程序。修正了AVX檢查Bug。增加多文件鏈接ccpuid的測試例程。
一、更新說明
1.1 改進mmx/sse指令可用性檢查
1.1.1 問題背景
以前是使用結構化異常處理來確認當前環境是否能運行mmx/sse指令的。該方法存在兩個問題。
首先，僅有C++支持結構化異常處理，而純C是不支持的。所以在V1.02版中，是根據__cplusplus宏來做條件編譯的。造成僅有C++版支持指令可用性檢查，而純C版沒有該檢查能力。
更重大的問題是——結構化異常處理並不能捕獲mmx/sse指令錯誤，程序會崩潰。
這是因為——當運行了當前環境不支持指令時，不會觸發結構化異常處理，而是觸發SIG_ILL（非法指令）信號，若沒有該信號的處理函數，程序就崩潰了。
本來我以為“硬件支持MMX/SSE，但當前運行環境不支持”這種情況是很罕見的，因為現在的主流操作系統（Windows、Linux、Mac OS X等）都是支持mmx和sse。
但后來發現，這種情況是很容易出現的。這是因為AVX指令集的影響。
當gcc用上“-mavx”編譯參數時，gcc會將所有的SSE代碼編譯為“VEX前綴編碼的SSE指令”，而不是“傳統SSE編碼的指令”。“VEX前綴編碼的SSE指令”實際上是128位的AVX指令，只有CPU硬件支持AVX，並且操作系統支持AVX時，才能運行“VEX前綴編碼的SSE指令”。
就算你的代碼中沒有使用SSE，但是由於編譯器的自動矢量化編譯優化，也可能會自動生成VEX SSE指令，導致程序崩潰。
而VC在這方面好一點，依然是生成傳統編碼的SSE指令，程序能夠在非AVX環境下運行。
1.1.2 解決辦法
怎么捕獲SIG_ILL（非法指令）信號呢？C標准庫提供了<signal.h>，用於處理信號。
從SIG_ILL信號中怎么恢復呢？C標准庫提供了<setjmp.h>，可以實現非局部轉移。
但是還存在一個問題——在信號處理函數中，怎么知道應該回到哪一個位置呢？這時只有靠一個全局變量來存放返回位置。
而使用全局變量，可能會引起線程安全問題。暫時不管了，目前的跨平台多線程處理很麻煩。還是等C11普及后再說吧。
1.1.3 具體實現1（修改ccpuid.h）
在具體實現時，會遇到這個問題——純C版的ccpuid只是一個頭文件，按照慣例只能含有聲明性內容，不能含有定義性內容。而信號處理函數必須是一個實際定義的函數，這樣才能獲取它的函數指針進行注冊。
如果再添加一個ccpuid.c源文件，在它里面編寫信號處理函數。雖然這樣更符合C語言慣例，但這樣用起來很麻煩，而且可能還需要修改代碼才能與新版的ccpuid兼容。
所以我決定還是將信號處理函數及相關的全局變量放在頭文件中。為了避免外部暴露，可以加上static關鍵字，使它們僅在文件內可見、不參與鏈接。
由於現在需要檢查MMX與SSE這兩類指令，所以可以考慮將這種檢查封裝成為一個函數——
// 收到SIGILL信號時的跳回地址. static jmp_buf *volatile simd_pjmpback_sigill = NULL; // 處理SIGILL信號. static void simd_catch_sigill(int sig) { jmp_buf * pjmp = simd_pjmpback_sigill; // 能夠跳回. if (NULL!=pjmp) { longjmp(*pjmp, 1); // 跳回. } // 不能跳回. //fprintf(stderr, "!SIGILL!"); abort(); } // 嘗試調用一個可能會發生SIGILL信號的函數. // // result: 若正常運行，就返回pfunc的返回值. 否則返回0. // pfunc: 欲測試的函數. // puserdata: 用戶自定參數, 在調用pfunc時會傳遞該參數. static int simd_try_sigill(int (*pfunc)(void*), void* puserdata) { int rt = 0; jmp_buf myjmp; jmp_buf* poldjmp=NULL; // 以前的跳回地址. void (*old_signal)(int) = SIG_DFL; // 以前的信號處理函數. // 注冊跳轉. if (0==setjmp(myjmp)) { // 登記跳回. poldjmp = simd_pjmpback_sigill; simd_pjmpback_sigill = &myjmp; // 注冊信號處理函數. old_signal = signal(SIGILL, simd_catch_sigill); // [try] rt = pfunc(puserdata); } else { // [catch] } // 恢復信號處理函數. simd_pjmpback_sigill = poldjmp; signal(SIGILL, old_signal); return rt; }
驗證MMX指令是否能運行——
// 驗證mmx指令是否能運行_實際指令測試. static int simd_try_mmx_pfunc(void* puserdata) { #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) && !defined(__INTEL_COMPILER) // VC編譯器不支持64位下的MMX. return 0; #else _mm_empty(); // MMX instruction: emms return 1; #endif // #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) } // 驗證mmx指令是否能運行. static int simd_try_mmx() { int rt = 0; #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) && !defined(__INTEL_COMPILER) // VC編譯器不支持64位下的MMX. #else rt = simd_try_sigill(simd_try_mmx_pfunc, 0); #endif // #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) return rt; }
驗證SSE指令是否能運行——
// 驗證sse指令是否能運行_實際指令測試. static int simd_try_sse_pfunc(void* puserdata) { int rt = 0; volatile __m128 xmm1 = _mm_setzero_ps(); // SSE instruction: xorps int* pxmm1 = (int*)&xmm1; // 避免GCC的 -Wstrict-aliasing 警告. if (0==*pxmm1) rt = 1; // 避免Release模式編譯優化時剔除_mm_setzero_ps. return rt; } // 驗證sse指令是否能運行. static int simd_try_sse() { int rt = simd_try_sigill(simd_try_sse_pfunc, 0); return rt; }
然后再修改原來的simd_mmx、simd_sse_level函數，在最后調用simd_try_mmx、simd_try_sse驗證當前環境——
// 是否支持MMX指令集. // // result: 返回當前運行環境是否支持MMX指令集. 非0表示支持, 0表示不支持. // phwmmx: 返回硬件是否支持MMX指令集. 非0表示支持, 0表示不支持. INLINE int simd_mmx(int* phwmmx) { int rt = 0; // result #ifdef CCPUID_X86 const uint32_t BIT_D_MMX = 0x00800000; // bit 23 uint32_t dwBuf[4]; // check processor support getcpuid(dwBuf, 1); // Function 1: Feature Information if ( dwBuf[3] & BIT_D_MMX ) rt=1; if (NULL!=phwmmx) *phwmmx=rt; // check OS support if ( rt>0 ) { if (!simd_try_mmx()) rt=0; } #else // #ifdef CCPUID_X86 if (NULL!=phwmmx) *phwmmx=rt; #endif // #ifdef CCPUID_X86 return rt; } // 檢測SSE系列指令集的支持級別. // // result: 返回當前運行環境的SSE系列指令集支持級別. 詳見SIMD_SSE_常數. // phwmmx: 返回硬件的SSE系列指令集支持級別. 詳見SIMD_SSE_常數. INLINE int simd_sse_level(int* phwsse) { int rt = SIMD_SSE_NONE; // result #ifdef CCPUID_X86 const uint32_t BIT_D_SSE = 0x02000000; // bit 25 const uint32_t BIT_D_SSE2 = 0x04000000; // bit 26 const uint32_t BIT_C_SSE3 = 0x00000001; // bit 0 const uint32_t BIT_C_SSSE3 = 0x00000100; // bit 9 const uint32_t BIT_C_SSE41 = 0x00080000; // bit 19 const uint32_t BIT_C_SSE42 = 0x00100000; // bit 20 uint32_t dwBuf[4]; // check processor support getcpuid(dwBuf, 1); // Function 1: Feature Information if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE ) { rt = SIMD_SSE_1; if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE2 ) { rt = SIMD_SSE_2; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE3 ) { rt = SIMD_SSE_3; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSSE3 ) { rt = SIMD_SSE_3S; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE41 ) { rt = SIMD_SSE_41; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE42 ) { rt = SIMD_SSE_42; } } } } } } if (NULL!=phwsse) *phwsse=rt; // check OS support if ( rt>0 ) { if (!simd_try_sse()) rt=SIMD_SSE_NONE; } #else // #ifdef CCPUID_X86 if (NULL!=phwmmx) *phwmmx=rt; #endif // #ifdef CCPUID_X86 return rt; }
1.1.4 具體實現2（修改ccpuid.hpp、ccpuid.cpp）
再考慮一下如何修改CCPUID類。原先是在調用RefreshProperty函數時，就一起更新_mmx、_sse等變量。而現在simd_try_mmx、simd_try_sse等驗證函數不是線程安全的，如果還是一起更新的話，恐怕會影響穩定性。
所以設計為在需要時才驗證的模式更好。具體做法是，simd_mmx、simd_sse_level返回-1，由mmx、sse負責檢查。
mmx、sse原先設計為 const成員函數，而現在需要保存驗證結果而修改_mmx、_sse變量，該怎么辦呢？有兩種方案——
1. 去掉該函數的const關鍵字，使其成為普通成員函數。
2. 將_mmx、_sse變量加上mutable關鍵字，使其能在 const成員函數 中修改。
考慮到舊代碼的兼容性，我選擇了方案2。
修改ccpuid.hpp：給_mmx、_sse變量加上mutable關鍵字，將mmx、sse函數挪至cpp文件中——
int mmx() const; // 系統支持MMX. int sse() const; // 系統支持SSE. ... mutable int _mmx; // 系統支持MMX. mutable int _sse; // 系統支持SSE.
修改ccpuid.cpp：simd_mmx、simd_sse_level返回-1，由mmx、sse負責檢查——
int CCPUID::simd_mmx(int* phwmmx) const { int rt = 0; // result #ifdef CCPUID_X86 const uint32_t BIT_D_MMX = 0x00800000; // bit 23 uint32_t dwBuf[4]; // check processor support GetData(dwBuf, 1); // Function 1: Feature Information if ( dwBuf[3] & BIT_D_MMX ) rt=1; if (NULL!=phwmmx) *phwmmx=rt; // check OS support rt = -1; // 需要時才檢查, 見mmx(). #else // #ifdef CCPUID_X86 if (NULL!=phwmmx) *phwmmx=rt; #endif // #ifdef CCPUID_X86 return rt; } int CCPUID::simd_sse_level(int* phwsse) const { int rt = SIMD_SSE_NONE; // result #ifdef CCPUID_X86 const uint32_t BIT_D_SSE = 0x02000000; // bit 25 const uint32_t BIT_D_SSE2 = 0x04000000; // bit 26 const uint32_t BIT_C_SSE3 = 0x00000001; // bit 0 const uint32_t BIT_C_SSSE3 = 0x00000100; // bit 9 const uint32_t BIT_C_SSE41 = 0x00080000; // bit 19 const uint32_t BIT_C_SSE42 = 0x00100000; // bit 20 uint32_t dwBuf[4]; // check processor support GetData(dwBuf, 1); // Function 1: Feature Information if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE ) { rt = SIMD_SSE_1; if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE2 ) { rt = SIMD_SSE_2; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE3 ) { rt = SIMD_SSE_3; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSSE3 ) { rt = SIMD_SSE_3S; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE41 ) { rt = SIMD_SSE_41; if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE42 ) { rt = SIMD_SSE_42; } } } } } } if (NULL!=phwsse) *phwsse=rt; // check OS support rt = -1; // 需要時才檢查, 見sse(). #else // #ifdef CCPUID_X86 if (NULL!=phwsse) *phwsse=rt; #endif // #ifdef CCPUID_X86 return rt; } ... int CCPUID::mmx() const { if (_mmx<0) { // 發現未檢查, 進行檢查. _mmx = _hwmmx; if (_mmx>0) { if (!simd_try_mmx()) _mmx=0; } } return _mmx; } int CCPUID::sse() const { if (_sse<0) { // 發現未檢查, 進行檢查. _sse = _hwsse; if (_sse>0) { if (!simd_try_sse()) _sse=SIMD_SSE_NONE; } } return _sse; }
1.2 修正AVX檢查Bug
V1.02版因X86平台判斷功能改動了AVX檢查代碼，不小心留下了一個Bug——當操作系統不支持OSXSAVE時，simd_avx_level函數卻返回一個正數，報告當前環境支持AVX。而按照規定，它應該返回0。
經過檢查，發現是條件判斷覆蓋問題。於是修改了 simd_avx_level、CCPUID::simd_avx_level，修正了此Bug。
1.3 增加多文件鏈接ccpuid的測試例程
因SIGILL信號處理，現在ccpuid.h這個頭文件中不得不含有定義性代碼。一般來說，當頭文件中含有定義性代碼時，有時會造成多文件鏈接時報錯。
雖然我們已經加上了static關鍵字使那部分代碼變為僅文件內可見、不參與鏈接。但是為了驗證，還是編寫一個測試例程比較好。
於是在C++測試例程項目中 增加兩個文件——test2.h和test2.cpp。
test2.h用於聲明test2函數——
void test2(void);
在test2.cpp中也引用了ccpuid.hpp，並寫了簡單的測試代碼——
#include <stdio.h> #include "ccpuid.hpp" #include "test2.h" // 測試調用 const對象 的 const成員函數. void test2_const(const CCPUID& ccid) { printf("test2_SSE:\t%d\n",ccid.sse()); } // 測試多文件鏈接使用ccpuid. void test2(void) { test2_const(CCPUID::cur()); }
最后在testccpuid.cpp中添加對test2函數的調用——
#include "test2.h" ... test2();
二、全部代碼
（略）
2.1 ccpuid模塊
2.1.1 ccpuid.h: CPUID信息（純C版）
全部代碼——
2.1.2 ccpuid.hpp: CPUID信息（C++版頭文件）
全部代碼——
2.1.3 ccpuid.cpp: CPUID信息（C++版源文件）
全部代碼——
2.2 純C版測試例程
2.2.1 testccpuidc.c : [C] 測試ccpuid.h, 顯示CPUID信息
全部代碼——
2.3 C++版測試例程
2.3.1 testccpuid.cpp : [C++] 測試ccpuid.hpp, 顯示所有的CPUID信息
全部代碼——
2.3.2 test2.h: 多文件鏈接ccpuid的測試（頭文件）
全部代碼——
2.3.3 test2.cpp: 多文件鏈接ccpuid的測試（源文件）
全部代碼——
2.4 makefile
makefile——
三、編譯測試
在以下編譯器中成功編譯——
VC6：x86版。
VC2003：x86版。
VC2005：x86版。
VC2010：x86版、x64版。
GCC 4.7.0（Fedora 17 x64）：x86版、x64版。
GCC 4.6.2（MinGW (20120426)）：x86版。
GCC 4.7.1（TDM-GCC (MinGW-w64)）：x86版、x64版。
llvm-gcc-4.2（Mac OS X Lion 10.7.4, Xcode 4.4.1）：x86版、x64版。
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