增加Cache命中率加快程序运行速度

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本文探讨了三种提高程序运行速度的方法：通过调整代码顺序优化Cache命中率，利用Linux的likely和unlikely宏以及__builtin_expect函数进行预测优化，以及通过绑核来避免缓存丢失。详细解释了如何通过这些技术提升程序执行效率。

场景一：改变程序运行顺序以提高Cache命中率

给定代码逻辑：当条件A成立，则执行B；否则执行C。

if (cond A) {
    // do sth. B
} else {
    // do sth. C
}

CPU分支预测器机制：对于if条件语句，如果CPU可以预测到接下来执行的是if还是else里的指令，就可以提前将指令加载到缓存中，这样CPU就可以直接从Cache读取到指令，以加快执行速度。

下面代码给出两个操作逻辑：数组遍历和排序。

uint32_t a[100] = {0U};
// do sth, to assign random value to a
...
...
// for and if logic
for (size_t i = 0U; i < 100U; i++) {
    if (a[i] < 50U) {
        a[i] = 0U;
    }
}
sort(a, a +100);

先执行排序，后执行数组遍历，程序运行速度更快。
原因是：排序之后，数组内元素从小到大按顺序排列，则前几次循环命中if的次数较多，于是分支预测会将a[i] = 0指令缓存到Cache中，后续CPU执行该指令只需要直接加载即可。

场景二：Linux通过宏定义提高优先级

编码在编码阶段，已经可以确定某个分支大概率命中，则可以通过likely和unlikely宏指定优先级。

likely与unlikely宏

在linux/compiler中有如下宏定义：

#define likely(x)   __builtin_expect(!!(x), 1) // 表示x为真的可能性较大
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) // 表示x为假的可能性较大

其中，__builtin_expect()函数是gcc（version>= 2.96）引入的内建函数，目的是将“分支转移”的信息提供给编译器，这样编译器可以对代码进行优化，以减少指令跳转所带来的性能下降问题。

__builtin_expect函数

函数原型如下：

long __builtin_expect(long exp, long c);

其中，exp为一个表达式，c为一个编译期常量。则上述likely宏的定义则表示，!!(x) == 1的概率较大。

编码时，可使用如下两种写法，表示(a == 1)成立的概率较大，告诉CPU提前将指令A缓存起来。

// 写法一
if (__builtin_expect((a == 1), 1) {
    // do sth. A
} else {
    // do sth. B
}
// 写法二
if (likely(a == 1)) {
    // do sth. A
} else {
    // do sth. B
}

场景三：通过绑核增加缓存命中率

现代CPU都是多核心，进程运行时在不同核之间切换，导致缓存命中率下降。Linux上提供了sched_setaffinity方法进行绑核。

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
// function return 0 for success and -1 for failure
int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize,
    const cpu_set_t *mask);
int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize,
    cpu_set_t *mask);

参考资料：
（1）https://blog.youkuaiyun.com/qq_34827674/article/details/109147330?spm=1001.2014.3001.5502
（2）https://blog.youkuaiyun.com/fan_hai_ping/article/details/8435151
（3）https://man7.org/linux/man-pages/man2/sched_setaffinity.2.html
（4）https://www.cnblogs.com/LubinLew/p/GCC-__builtin_expect.html