CPU 分支预测探索与利用_random branch prediction-优快云博客

CPU 的分支预测是个有趣的性能优化点，在写代码层面、编译层面和汇编指令层面我们都可以介入指导分支预测做得更好，本文也将从这些角度来探索 CPU 分支预测，以达到更好的利用。

CPU 流水线

【参考维基百科 - Instruction pipelining：https://en.wikipedia.org/wiki/Instruction_pipelining】

CPU 流水线执行是一种在单处理器上实现多指令并行的技术。

CPU 一般的执行操作包含：获取指令、翻译指令、执行指令、内存访问、寄存器写入等，这些分别用到了 CPU 的不同处理单元。

如果每个 CPU 时钟周期只执行一个操作，那对于其他 CPU 上的处理单元是一种浪费，所以将各种不冲突的指令放到了同一个时钟周期内，达到更高的 CPU 利用率，提升执行指令的效率。

将流水线引入 CPU，可以提高 CPU 的效率。更简单的说，让 CPU 可以预先取出下一条指令，可以提供 CPU 的效率。如果存在跳转指令，那么预先取出的指令就无用了。CPU 在执行当前指令时，从内存中取出了当前指令的下一条指令。执行完当前指令后，CPU 发现不是要执行下一条指令，而是执行 offset 偏移处的指令。CPU 只能重新从内存中取出 offset 偏移处的指令。因此，跳转指令会降低流水线的效率，也就是降低 CPU 的效率。

【参考博文： https://blog.youkuaiyun.com/shuimuniao/article/details/8017971】

分支预测

分支预测一般发生在有状态跳转(conditional jump)的指令中。

在 stackoverflow 上对此的回答中，有个人举了一个很贴切的比喻和相关解释

问题：Why is processing a sorted array faster than processing an unsorted array?
回答链接： https://stackoverflow.com/a/11227902/13005964

比喻

假设你是控制火车轨道的扳道员，火车笨重冗长且与你没有提前协商轨道方向，如果让火车在变轨轨道前停下来，然后和你进行沟通，那会让火车旅程用时变长，且还需要重新启动。

这个时候，更好的方法是你直接猜测火车的运行轨迹，给他设置一个方向：

如果猜对了，火车完全不需要停下来
如果猜错了，火车就需要停下来，让你进行变轨的操作

如果你经常猜对，火车完全不需要停下来；如果你经常猜错，就需要火车花费大量的时间停下来且让你变轨。

指令层面

转换到指令层面：

由于 if 语句导致了分支跳转的指令存在，这个时候 CPU 同样面对了变轨的难题。

现代 CPU 有复杂的流水线支持，把获取指令、翻译指令、执行指令分摊到流水线上，通常 CPU 就会提前预先获取下一条指令。

这个时候，CPU 提前做出了某个分支的判断：

如果猜对了，可以继续执行
如果猜错了，那就需要刷新流水线并且回退到正确的分支

如果经常猜对，CPU 执行流完全不需要停下来；如果经常猜错，就需要花费 CPU 时间回退并调整。

一般情况下，CPU 预测失败后需要 10～20 个时钟周期来进行回退与调整。

如何更好帮助 CPU 准确地预测？

数据排序

如果 99% 的情况下都是往某个分支去执行，那直接预测为这个分支即可。现代 CPU 基本上能达到 90% 以上的命中率，但面对无法预测的分支而言，就显得鸡肋了。

分支预测的罪魁祸首就是 if 判断了。

if (data[c] >= 128)
    sum += data[c];

如果数据平均分布在 0 到 255 之间，当数据是排好序的，大约有一半的数据是不会进入上面代码的 if 里，另一半会进入。

这种情况对于分支预测是非常友好的，因为它会有大部分时间进入同样的分支里。

profile-guided optimization

PGO 生成插桩代码，运行进程，利用运行时采集生成一个 profile 的运行时信息，指导编译器生成更好的分支代码。

__builtin_expect

可以使用 gcc 的 __builtin_expect(expression, value) 来进行优化，这个函数的作用是允许程序员将最有可能执行的分支告诉编译器。

编译器拿到这个信息(分支转移的信息)之后，在编译过程会将可能性更大的代码紧接在其后，从而减少指令跳转带来的性能损耗。

【参考博文：https://www.jianshu.com/p/2684613a300f】

更好的方式是消除分支的存在

conditional move

【参考 stackoverflow 回答：https://stackoverflow.com/a/30150355/13005964】

cmove 指令不比较源地址和目标地址，它使用上一次比较的结果(存在状态寄存器里的某个标识符)，来决定是否进行操作。

cmp eax, ebx
cmove ecx, edx

上面指令表示：如果 eax == ebx，就将 edx 拷贝到 ecx。

效果等同于有分支跳转的下面的指令版本：

cmp eax, ebx
jne skip
  mov ecx, edx
skip:

缺点

但 cmov 的开销会比较大【参考讨论贴：https://news.ycombinator.com/item?id=6042728】

因为因特尔的 CPU 使用的基础架构只支持在一个时钟周期一条指令最多读取两个输入，但是 cmov 需要读取状态寄存器、源寄存器、目标寄存器的值，所有会有两个时钟周期的延时。

对于难以预测的分支，使用 cmov 是很好的方式。

但对于可以很好预测的分支，使用 cmov 对于性能而言反而是一种倒退。

而现代 CPU 还可能会存在乱序执行的情况，cmov 因为需要取好三个依赖的输入数据，才能执行，所以会导致乱序执行被阻塞。

【维基百科 - 乱序执行：CPU 处理器会根据输入数据的可用性来决定指令执行的顺序，而非程序的原始指令数据的执行顺序。这种方式，主要是为了避免因为获取下一条程序指令而引起的处理器等待，CPU 根据可用性先处理可以立即执行的指令。】

【gcc 早期版本 -O3 使用了 cmov 就导致了代码执行性能变差了，后来 -O3 使用 SSE 来优化循环了：https://stackoverflow.com/a/43941854/13005964】

位运算

if (data[c] >= 128)
    sum += data[c];

将上面的代码可以替换为下面这种形式：

int t = (data[c] - 128) >> 31;
sum += ~t & data[c];

通过位运算成功消除了分支的存在了。

分支预测的实现方式

【参考维基百科 - branch predictor：https://en.wikipedia.org/wiki/Branch_predictor】

分支预测的实现方式非常多，建议直接看上面的链接，下面仅列出其中的一些。

Static branch prediction

在编译期间对分支进行预测，早期 CPU 会更偏好与有状态跳转不会发生，也即 jmp 的下一条指令会被预取，通过编译时的静态分析，把更有可能发生的分支衔接在 jmp 指令的后面。

Dynamic branch prediction

动态分支预测使用在运行时采集到的分支执行信息 (类似 PGO，采用计数器的方式) 来对分支的结果进行预测。

Random branch prediction

等概率地随机乱猜。

Next line prediction

【参考博客：https://docs.boom-core.org/en/latest/sections/branch-prediction/nl-predictor.html】

取指 PC 会在 BTB (Branch Target Buffer) 表中寻找匹配项，如果匹配上了，就会去查询 BIM (Bi-Modal Table，存储着计数器) 和 RAS (Return Address Stack) 来作出判断。

如果匹配项是 ret，则目标地址来源于 RAS。

如果匹配项是 jmp (无状态跳转)，则无需访问 BIM。

如果匹配项是 bidx (branch index)，则要标记那条指令是控制流判断的主因。

One-level branch prediction

1-bit 的计数器通常只是记录一下上一次分支跳转的结果。

而采用 2-bit 的计数器可以记录状态机的 4 个状态：

Strongly not taken
Weakly not taken
Weakly taken
Strongly taken

每当一个分支被执行时，就会以图中的形式来更新其状态，准确率高达 93.5%。

Two-level predictor

把上面的 2-bit 计数器的状态记录到分支跳转的历史记录表中来做辅助判断。

通常会保存上两次的结果到寄存器中 (a two-bit shift register)。

Local branch prediction

每个有状态跳转指令都保存一个属于自己的跳转历史记录表(history buffer)。

Global branch prediction

所有有状态跳转指令共享一个跳转历史记录表。

Alloyed branch prediction

结合了 local 和 global 的方式，还使用了一些 PC 中的 bit。

Loop predictor

基本上一个循环的有状态跳转，如果在循环的最后一条指令，则会重复执行 N-1 次；如果在循环的开头一条指令，则通常只会执行 1 次。

用一个简单的计数器就能很好地做到循环的分支预测。

Indirect branch predictor

不直接跳转指令的目标地址可以指定为两个或以上，通常采用 Two-level predictor 来进行预测。