前言
内核版本:linux 4.9.x。在linux内核中,经常可以看见if( likely(x))或if( unlikely(x))的语句,本文将基于likely和unlikely的定义和作用进行一些简单的描述。
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1. __builtin_expect 说明
1.1 __builtin_expect函数的声明
函数__builtin_expect()是GCC v2.96版本引入的, 其声明如下:
long __builtin_expect(long exp, long c);
1.2 __builtin_expect函数引入的背景
由于大部分程序员在分支预测方面做得很糟糕,所以GCC 提供了这个内建函数来帮助程序员处理分支预测。它的作用是期望表达式exp的值等于c(如果exp == c条件成立的机会占绝大多数,那么性能将会得到提升,否则性能反而会下降),原因如下:
GCC在编译过程中,会将可能性更大的代码紧跟着前面的代码,从而减少指令跳转带来的性能上的下降, 达到优化程序的目的:
(1)__builtin_expect函数用来引导gcc进行条件分支预测。在一条指令执行时,由于流水线的作用,CPU可以同时完成下一条指令的取指,这样可以提高CPU的利用率。在执行条件分支指令时,CPU也会预取下一条执行,但是如果条件分支的结果为跳转到了其他指令,那CPU预取的下一条指令就没用了,这样就降低了流水线的效率。
(2)另外,跳转指令相对于顺序执行的指令会多消耗CPU时间,如果可以尽可能不执行跳转,也可以提高CPU性能。
通常,你也许会更喜欢使用 gcc 的一个参数 '-fprofile-arcs' 来收集程序运行的关于执行流程和分支走向的实际反馈信息,但是对于很多程序来说,数据是很难收集的。
注意, __builtin_expect (lexp, c)的返回值仍是exp值本身,并不会改变exp的值。
1.3 RATIONALE(原理)
if else 句型编译后, 一个分支的汇编代码紧随前面的代码,而另一个分支的汇编代码需要使用JMP指令才能访问到。显然,通过JMP访问需要更多的时间, 在复杂的程序中,有很多的if else句型,又或者是一个有if else句型的库函数,每秒钟被调用几万次,通常程序员在分支预测方面做得很糟糕, 编译器又不能精准的预测每一个分支,这时JMP产生的时间浪费就会很大,函数__builtin_expert()就是用来解决这个问题的。
2. likely和unlikely的说明
2.1 likely和unlikely函数的定义
参考/include/linux/compiler.h */
# define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
# define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
上述源码中采用了内建函数__builtin_expect来进行定义,即 built in function。
2.2 likely和unlikely的高频使用方式
在内核中经常看到如下的定义:
if(likely(x)){
......
}else{
......
}
if(unlikely(x))
{
......
}else{
......
}
展开后就等价于
if(__builtin_expect(!!(x), 1)){//期望x为真,x是逻辑真(1)的可能性比较大
......
}else{
......
}
if(__builtin_expect(!!(x), 0))//期望x为假,x是逻辑假(0)的可能性比较大
{
......
}else{
......
}
首选先要明白的是:
if(likely(x)) //等价于 if(x)
if(unlikely(x)) //也等价于 if(x)
从表面上看。 likely和unlikely是一样的,但是实际上执行是不同的,加likely的意思是x的值为真的可能性更大一些,也就是执行if的机会大,而unlikely表示x的值为假的可能性大一些,也就是执行else机会大一些。
加上这种修饰,编译成二进制代码时likely使得if后面的执行语句紧跟着前面的程序,unlikely使得else后面的语句紧跟着前面的程序,这样就会被cache预读取,增加程序的执行速度。
上述定义中为什么要使用 "!!" 符号呢?
计算机中bool逻辑只有0和1,非0即是1,当likely(x)中参数不是逻辑值时,就可以使用 "!!" 符号转化为逻辑值1或0 。
3. 汇编层理解
3.1 likely的例子
3.1.1 likely例子的代码
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#define unlikely(x) (__builtin_expect(!!(x), 0))
#define likely(x) (__builtin_expect(!!(x), 1))
int likely_func(int x)
{
if (likely(x))
{
x = 0x123;
}
else
{
x = 0x456;
}
return x;
}
int main(char *argv[], int argc)
{
likely_func(1);
return 0;
}
3.1.2 编译选项
gcc -fprofile-arcs -O2 -c test.c
-fprofile-arcs -ftest-coverage 选项的使用
3.1.3反汇编likely_func片段
0000000000000000 <likely_func>:
0: f3 0f 1e fa endbr64
4: 48 83 05 00 00 00 00 addq $0x1,0x0(%rip) # c <likely_func+0xc>
b: 01
c: b8 23 01 00 00 mov $0x123,%eax // 优先执行语句为if分支
11: 85 ff test %edi,%edi //测试传入参数是否为0
13: 74 0b je 20 <likely_func+0x20&g