学到一个编码技巧：用重复写入代替if判断，减少程序分支

作者:张富春(ahfuzhang)，转载时请注明作者和引用链接，谢谢！

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近期阅读了rust标准库的hashbrown库(也就是一个hashmap的实现)，并搞了一个中文注释的版本，有兴趣的同学请看：https://github.com/ahfuzhang/rust-hashbrown-v0.12.0 。
hashbrown的原理来自google开源的swiss table。我之前写了一篇swiss table的介绍：《Swisstable：C++中比std::unordered_map更快的hash表》。

hashbrown中，hash表的冲突管理是通过一个与buckets一样长的ctrl byte数组来实现的，每个桶的位置被占用后，就会把对应下标的ctrl byte写为key的高7bit。实现的代码如下：

    /// Sets a control byte, and possibly also the replicated control byte at
    /// the end of the array.
    #[inline]
    unsafe fn set_ctrl(&self, index: usize, ctrl: u8) {
        // Replicate the first Group::WIDTH control bytes at the end of
        // the array without using a branch:
        // - If index >= Group::WIDTH then index == index2.
        // - Otherwise index2 == self.bucket_mask + 1 + index.
        //
        // The very last replicated control byte is never actually read because
        // we mask the initial index for unaligned loads, but we write it
        // anyways because it makes the set_ctrl implementation simpler.
        //
        // If there are fewer buckets than Group::WIDTH then this code will
        // replicate the buckets at the end of the trailing group. For example
        // with 2 buckets and a group size of 4, the control bytes will look
        // like this:
        //
        //     Real    |             Replicated
        // ---------------------------------------------
        // | [A] | [B] | [EMPTY] | [EMPTY] | [A] | [B] |
        // ---------------------------------------------
        let index2 = ((index.wrapping_sub(Group::WIDTH)) & self.bucket_mask) + Group::WIDTH;

        *self.ctrl(index) = ctrl;
        *self.ctrl(index2) = ctrl;  //index和index2几乎是一样，这里为什么要重复再写一次？？？
    }

代码中：

• index是需要写入的ctrl byte数组的下标
• Group::WIDTH为16字节
• index.wrapping_sub(Group::WIDTH))是在无符号整数上做二进制减法。
  • rust中存在会溢出的减法，一定要使用wrapping_sub()，否则会panic。我在这里做了个实验。
• *self.ctrl(index) = ctrl;这行代码，对数组中指定下标的ctrl byte进行赋值
• 疑惑的是这行：*self.ctrl(index2) = ctrl;
  • 当index>=16时，index和index2的值完全相等，重复赋值，看似是没有意义的；
  • 当index<16是，index2会出现在ctrl byte数组后的0~15字节中，是超过了ctrl byte数组范围的；
  • 用python代码实验一下：
    • 假定桶的长度为1024（hashbrown中，桶的长度一定是2的幂），则bucket_mask等于1023，也就是b01111_11111
    • 假设index为2，则： (2 - 16) & (2**10-1) + 16 = 1026
    • 1026指向了ctrl byte数组尾部的第三个下标

看不懂的时候再认真读读注释：把ctrl byte数组的第一个Group复制到最后，从而避免使用分支！

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现在，我们回到最初，从头开始解释这个写法：

• hashbrown的桶长度必须是2的幂，假定此处是1024个
  • 分配KV数据的结构可以表示为：

struct hashbrown{
    struct {
       KEY_TYPE key;
       VALUE_TYPE value;
    } buckets[1024];
}

• hashbrown采用相邻地址法来解决hash冲突，因此需要分配一个与桶长度一致的ctrl byte数组：
  • 每16个ctrl byte成为一个Group，使用SSE的指令能够一次搜索16字节，可以提升性能
  • 在分配的时候，在ctrl byte数组的尾部，再多分配16字节。这16字节就是为了复制ctrl byte数组头部的16字节。
  • ctrl byte数组，包含其后的16字节，都只为0x80，即 b1000_0000，最高位为1说明这个位置未使用。
  • Ctrl byte数组的内容可以表示为：

struct hashbrown{
    struct {
       KEY_TYPE key;
       VALUE_TYPE value;
    } buckets[1024];
    byte ctrls[1024+16];
}

• 为什么要把前16个ctrl byte复制在数组末位之后呢？这里涉及hashmap在插入时候搜索空桶的逻辑：

  • 每次根据KEY计算出一个64位的hashcode
  • hashcode 取模桶的长度得到了桶的下标
  • 如果这个位置未被占用，则使用这个位置，并把ctrls数组中的对应下标写为hashcode的高7bit
  • 如果这个位置被占用了，则需要从相邻的位置去寻找空位。

• hashbrown（或者说swiss table）的精彩之处就在于相邻位置的查找：

  • ctrls数组中连续的16字节(128bit)称为一个Group
  • 搜索的时候，把128bit加载到SSE的寄存器
  • 通过SSE指令可以一次性判断16字节的内容是否有空位

• 下面是搜索插入位置的代码：

    /// Searches for an empty or deleted bucket which is suitable for inserting
    /// a new element.
    ///
    /// There must be at least 1 empty bucket in the table.
    #[inline]
    fn find_insert_slot(&self, hash: u64) -> usize {
        let mut probe_seq = self.probe_seq(hash);  //构造ProbeSeq对象，进行三角数跳跃(第一次跳跃1个，第二次(在上一次基础上)跳跃2个，第三次跳跃3个……)
        loop {
            unsafe {  //当这一字节处于整个ctrl数组的边缘的时候，就必须在最后加一个Group，以此避免溢出
                let group = Group::load(self.ctrl(probe_seq.pos));  //加载当前Group
                if let Some(bit) = group.match_empty_or_deleted().lowest_set_bit() {  //当前group找个空位
                    let result = (probe_seq.pos + bit) & self.bucket_mask;  //这个就是找到的插入位置

                    // In tables smaller than the group width, trailing control
                    // bytes outside the range of the table are filled with
                    // EMPTY entries. These will unfortunately trigger a
                    // match, but once masked may point to a full bucket that
                    // is already occupied. We detect this situation here and
                    // perform a second scan starting at the beginning of the
                    // table. This second scan is guaranteed to find an empty
                    // slot (due to the load factor) before hitting the trailing
                    // control bytes (containing EMPTY).
                    if unlikely(is_full(*self.ctrl(result))) { //当桶的长度小于16时，触发这里的逻辑
                        debug_assert!(self.bucket_mask < Group::WIDTH);
                        debug_assert_ne!(probe_seq.pos, 0);
                        return Group::load_aligned(self.ctrl(0))
                            .match_empty_or_deleted()
                            .lowest_set_bit_nonzero();
                    }

                    return result;
                }
            }
            probe_seq.move_next(self.bucket_mask);  //找不到空位，就跳跃到下个三角数
        }
    }  //最坏的情况，这个函数会遍历整个的ctrls数组，直到找到空位。不过上层函数保障了一定有空位

• 以上的代码解释了为什么要在ctrls数组的最后多加16个字节：假设桶长度为1024，假设当前开始load group的下标为 (1024-1)-16+1=1008，这个位置距离ctrls的末位不足一个Group。
• 一般性的思维就是：加个if判断，处于边界的时候特殊处理。而作者则是多分配了一个Group在尾部，使得按照Group加载的时候，一定不会溢出。
• 同时，每次写入ctrls数组时，前16个ctrl byte总是被复制到了最后16字节的溢出区；这样，从末位加载的Group起始包含了回绕到头部的ctrl byte的信息。作者通过复制，来解决了搜索时候的回绕，且不用if语句来做特殊判断。

• 总结一下：
  • 为了解决hash冲突，使用了额外的ctrl byte数组来表示buckets的占用情况；
  • 为了高效的搜索桶的占用情况，使用了以Group为单位的搜索，通过SSE指令一次搜索16个位置；
  • 为了解决Group加载在边缘位置可能溢出的问题，使用了额外的16字节来作为溢出区，避免了用if去判断；
  • 当搜索到末尾再回绕到头部搜索的时候，ctrls数组的前16字节在写入时就会复制到末位的溢出区；这样，回绕的时候，尾部的bit等于头部bit的内容；仍然也不需要if进行边界条件的判断。
  • 重复写入一个byte是一条指令，用if语句判断边界条件也是一条指令。相比之下，大多数时候的重复写入代替了if语句，成本上与直接使用if一致，并没有浪费；并且，替代了if语句，使得不需要CPU做分支预测等工作，理论上能够提升指令cache的命中率，并提升性能。