GCC __builtin_expect的作用

最新推荐文章于 2025-02-11 12:29:52 发布

zangjiaoshou

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文章标签：编译器 java cpu 算法编程语言

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zangjiaoshou/article/details/122064462

本文探讨了CPU流水线的工作原理及其如何提高CPU效率，同时深入介绍了如何使用__builtin_expect来减少不必要的跳转，进而优化程序性能。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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。如下图所示：
+--------------------------------
|取指令 | 执行指令 | 输出结果
+--------------------------------
| | 取指令 | 执行
+--------------------------------
可见，cpu流水钱可以减少cpu等待取指令的耗时，从而提高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。
综上，在写程序时应该尽量避免跳转语句。那么如何避免跳转语句呢？答案就是使用__builtin_expect。
这个指令是gcc引入的，作用是"允许程序员将最有可能执行的分支告诉编译器"。这个指令的写法为：__builtin_expect(EXP, N)。意思是：EXP==N的概率很大。一般的使用方法是将__builtin_expect指令封装为LIKELY和UNLIKELY宏。这两个宏的写法如下。
#define LIKELY(x) __builtin_expect(!!(x), 1) //x很可能为真
#define UNLIKELY(x) __builtin_expect(!!(x), 0) //x很可能为假

如下是一个实际的例子。

//test_builtin_expect.c
#define LIKELY(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define UNLIKELY(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

int test_likely(int x)
{
    if(LIKELY(x))
    {
        x = 5;
    }
    else
    {
        x = 6;
    }

    return x;
}

int test_unlikely(int x)
{
    if(UNLIKELY(x))
    {
        x = 5;
    }
    else
    {
        x = 6;
    }

    return x;
}

运行如下命令:
gcc -fprofile-arcs -O2 -c test_builtin_expect.c
objdump -d test_builtin_expect.o
输出的汇编码为:

<test_likely>:
00    push     %ebp
01    mov      %esp,%ebp
03    mov      0x8(%ebp),%eax
06    addl     $0x1,0x38
0d    adcl     $0x0,0x3c
14    test     %eax,%eax
16    jz       2d <test_likely+0x2d>//主要看这里。此处的效果是eax不为零时，不需要跳转。即x为真是不跳转。
18    addl     $0x1,0x40
1f    mov      $0x5,%eax
24    adcl     $0x0,0x44
2b    pop      %ebp
2c    ret
2d    addl     $0x1,0x48
34    mov      $0x6,%eax
39    adcl     $0x0,0x4c
40    pop      %ebp
41    ret
42    lea      0x0(%esi,%eiz,1),%esi
49    lea      0x0(%edi,%eiz,1),%edi

<test_unlikely>:
50    push     %ebp
51    mov      %esp,%ebp
53    mov      0x8(%ebp),%edx
56    addl     $0x1,0x20
5d    adcl     $0x0,0x24
64    test     %edx,%edx
66    jne      7d <test_unlikely+0x2d>//主要看这里。此处的效果是edx为零时,不需跳转。即x为假时不跳转。
68    addl     $0x1,0x30
6f    mov      $0x6,%eax
74    adcl     $0x0,0x34
7b    pop      %ebp
7c    ret
7d    addl     $0x1,0x28
84    mov      $0x5,%eax
89    adcl     $0x0,0x2c
90    pop      %ebp
91    ret
92    lea      0x0(%esi,%eiz,1),%esi
99    lea      0x0(%edi,%eiz,1),%edi

可见，编译器利用程序员作出的判断，生成了高效的汇编码。即，跳转语句不生效的概率很大。