c - 静态分支预测/GCC 优化

Question

考虑以下 C 程序:

void bar();
void baz();

void foo( int a ) {
    if ( a ) {
        bar();
    }
    else {
        baz();
    }
}

在我的基于 x86-64 的计算机上，GCC 生成的具有 -O1 优化级别的指令给出:

 0: sub    $0x8,%rsp
 4: test   %edi,%edi
 6: je     14 <foo+0x14>
 8: mov    $0x0,%eax
 d: callq  12 <foo+0x12> # relocation to bar
12: jmp    1e <foo+0x1e>
14: mov    $0x0,%eax
19: callq  1e <foo+0x1e> # relocation to baz
1e: add    $0x8,%rsp
22: retq

而添加 -freorder-blocks 优化参数(包含在 -O2 中)会将代码变为:

 0: sub    $0x8,%rsp
 4: test   %edi,%edi
 6: jne    17 <foo+0x17>
 8: mov    $0x0,%eax
 d: callq  12 <foo+0x12> # relocation to baz
12: add    $0x8,%rsp
16: retq   
17: mov    $0x0,%eax
1c: callq  21 <foo+0x21> # relocation to bar
21: add    $0x8,%rsp
25: retq

主要是从jump equals 到jump not equals 的变化。我知道在 Pentium 4 之前，条件前向分支上的静态分支预测被认为没有被处理器采用(似乎静态预测在更多的英特尔处理器上变得随机)，因此我想这个优化正在处理这个问题。

假设并引用 jne 优化版本，这意味着 else block 实际上被认为比 if< 更有可能执行/em> 程序流中的 block 。

但这到底是什么意思呢？由于编译器没有对 foo 函数中的 a 值进行假设，因此这种概率仅依赖于程序员的写作(实际上谁可以使用 if ( !a ) 而不是 if ( a ) 和反向函数调用)。

这是否意味着将 if 条件 block 视为异常(exception)情况(而不是正常执行流程)应被视为一种良好做法？

即:

if ( !cond ) {
    // exceptional code
}
else {
    // normal continuation
}

代替:

if ( cond ) {
    // normal continuation
}
else {
    // exceptional code
}

(当然，人们可能更喜欢在相关 block 中使用 return 语句来限制缩进大小)。

Answer 1

我曾经在 ARM(7,9) 上进行了大量的性能优化操作。它是普通的 C，足够愚蠢的编译器(SDT AFAIR)。节省一些 CPU 资源的方法之一是分析 if 分支并重写 if 条件，以便正常流程不会破坏线性指令序列。这具有积极的效果，因为 CPU 预测 block 使用效率更高，代码段内存缓存使用效率更高。

我认为这里我们看到了非常接近的优化。在第一个代码片段中，两个分支都导致正常序列被破坏(一个分支的 lavel 6 和另一个分支的 12 行)。在第二个片段中，一个分支指令被排序到 retq 并且其他分支序列具有单跳转(不比第一个片段差)。请注意2个retq指令。

因此，正如我所看到的，这不是 je 或 jne 的问题，而是 block 重新排序的问题，因此分支是线性指令序列，其中一个没有任何输入jump 并节省了完整的预测 block 功率。

关于“为什么 GCC 更喜欢一个分支而不是另一个分支”...我在文档中看到这可能是静态分支预测的结果(基于翻译单元内部的调用？)。无论如何，我建议使用 __builtin_expect 以获得更详细的答案。