Строгое сглаживание, -фаст-математика и SSE

Рассмотрим следующую программу:

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <xmmintrin.h>

using namespace std;

int main()
{
    // 4 float32s.
    __m128 nans;
    // Set them all to 0xffffffff which should be NaN.
    memset(&nans, 0xff, 4*4);

    // cmpord should return a mask of 0xffffffff for any non-NaNs, and 0x00000000 for NaNs.
    __m128 mask = _mm_cmpord_ps(nans, nans);
    // AND the mask with nans to zero any of the nans. The result should be 0x00000000 for every component.
    __m128 z = _mm_and_ps(mask, nans);

    cout << z[0] << " " << z[1] << " " << z[2] << " " << z[3] << endl;

    return 0;
}

Если я скомпилирую Apple Clang 7.0.2 с и без -ffast-math, я получаю ожидаемый вывод 0 0 0 0:

$ clang --version
Apple LLVM version 7.0.2 (clang-700.1.81)
Target: x86_64-apple-darwin14.5.0
Thread model: posix

$ clang test.cpp -o test
$ ./test
0 0 0 0 

$ clang test.cpp -ffast-math -o test
$ ./test 
0 0 0 0

Однако после обновления до 8.1.0 (извините, я понятия не имею, для какой фактической версии Clang это соответствует - Apple больше не публикует эту информацию), -ffast-math, похоже, нарушает это:

$ clang --version
Apple LLVM version 8.1.0 (clang-802.0.42)
Target: x86_64-apple-darwin16.6.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin

$ clang test.cpp -o test
$ ./test
0 0 0 0 

$ clang test.cpp -ffast-math -o test
$ ./test 
nan nan nan nan

Я подозреваю, что это из-за строгих правил псевдонимов или чего-то подобного. Может ли кто-нибудь объяснить это поведение?

Изменить: я забыл упомянуть, что если вы делаете nans = { std::nanf(nullptr), ..., он отлично работает.

Также, глядя на godbolt, похоже, что поведение изменилось между Clang 3.8.1 и Clang 3.9 - последнее удаляет cmpordps инструкция. GCC 7.1, похоже, оставляет его.

Ответ 1

Это не строгая проблема с псевдонимом. Если вы прочитали документацию -ffast-math, вы увидите свою проблему:

Включить быстрый математический режим. Это определяет макрос препроцессора __FAST_MATH__ и позволяет компилятору сделать агрессивные, потенциально-убыточные предположения о математике с плавающей запятой. К ним относятся:

  • [...]Операторы
  • для операций с плавающей запятой не равны NaN и Inf, а
  • [...]

-ffast-math позволяет компилятору предположить, что число с плавающей запятой никогда не NaN (потому что оно устанавливает параметр -ffinite-math-only). Поскольку clang пытается сопоставить параметры gcc, мы можем немного прочитать от документацию GCC, чтобы лучше понять, что делает -ffinite-math-only:

Разрешить оптимизацию для арифметики с плавающей запятой, которые предполагают, что аргументы и результаты не являются NaN или + -Infs.

Этот параметр никогда не должен включаться с помощью любой опции -O, поскольку это может привести к некорректному выходу для программ, которые зависят от точной реализации правил/спецификаций IEEE или ISO.

Итак, если ваш код должен работать с NaN, вы не можете использовать -ffast-math или -ffinite-math-only. В противном случае вы рискуете, что оптимизатор уничтожит ваш код, как вы видите здесь.