Was ist der Vorteil von GCCs __builtin_expect in if else-Anweisungen?

Ich bin auf eine gestoßen, #definein der sie verwenden __builtin_expect.

Die Dokumentation sagt:

Eingebaute Funktion: long __builtin_expect (long exp, long c)

Sie können verwenden __builtin_expect, um dem Compiler Informationen zur Verzweigungsvorhersage bereitzustellen. Im Allgemeinen sollten Sie es vorziehen, hierfür das tatsächliche Profil-Feedback zu verwenden ( -fprofile-arcs), da Programmierer bekanntermaßen schlecht in der Vorhersage der tatsächlichen Leistung ihrer Programme sind. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen diese Daten schwer zu erfassen sind.

Der Rückgabewert ist der Wert von exp, der ein integraler Ausdruck sein sollte. Die Semantik des eingebauten ist, dass es erwartet wird, dass exp == c. Beispielsweise:

      if (__builtin_expect (x, 0))
        foo ();

würde anzeigen, dass wir nicht erwarten, anzurufen foo, da wir erwarten x, Null zu sein.

Warum also nicht direkt verwenden:

if (x)
    foo ();

anstelle der komplizierten Syntax mit __builtin_expect?

Stellen Sie sich den Assemblycode vor, der generiert werden würde aus:

if (__builtin_expect(x, 0)) {
    foo();
    ...
} else {
    bar();
    ...
}

Ich denke, es sollte so etwas sein wie:

  cmp   $x, 0
  jne   _foo
_bar:
  call  bar
  ...
  jmp   after_if
_foo:
  call  foo
  ...
after_if:

Sie können sehen, dass die Anweisungen in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, dass der barFall dem Fall vorausgeht foo(im Gegensatz zum C-Code). Dies kann die CPU-Pipeline besser nutzen, da ein Sprung die bereits abgerufenen Anweisungen zerstört.

Bevor der Sprung ausgeführt wird, werden die Anweisungen darunter (der barFall) in die Pipeline verschoben. Da der fooFall unwahrscheinlich ist, ist auch ein Springen unwahrscheinlich, weshalb ein Verprügeln der Pipeline unwahrscheinlich ist.

Lassen Sie uns dekompilieren, um zu sehen, was GCC 4.8 damit macht

Blagovest erwähnte die Inversion von Zweigen, um die Pipeline zu verbessern, aber tun es aktuelle Compiler wirklich? Lass es uns herausfinden!

Ohne __builtin_expect

#include "stdio.h"
#include "time.h"

int main() {
    /* Use time to prevent it from being optimized away. */
    int i = !time(NULL);
    if (i)
        puts("a");
    return 0;
}

Kompilieren und dekompilieren Sie mit GCC 4.8.2 x86_64 Linux:

gcc -c -O3 -std=gnu11 main.c
objdump -dr main.o

Ausgabe:

0000000000000000 <main>:
   0:       48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
   4:       31 ff                   xor    %edi,%edi
   6:       e8 00 00 00 00          callq  b <main+0xb>
                    7: R_X86_64_PC32        time-0x4
   b:       48 85 c0                test   %rax,%rax
   e:       75 0a                   jne    1a <main+0x1a>
  10:       bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi
                    11: R_X86_64_32 .rodata.str1.1
  15:       e8 00 00 00 00          callq  1a <main+0x1a>
                    16: R_X86_64_PC32       puts-0x4
  1a:       31 c0                   xor    %eax,%eax
  1c:       48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  20:       c3                      retq

Die Befehlsreihenfolge im Speicher blieb unverändert: zuerst die putsund dann die retqRückkehr.

Mit __builtin_expect

Ersetzen Sie nun durch if (i):

if (__builtin_expect(i, 0))

und wir bekommen:

0000000000000000 <main>:
   0:       48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
   4:       31 ff                   xor    %edi,%edi
   6:       e8 00 00 00 00          callq  b <main+0xb>
                    7: R_X86_64_PC32        time-0x4
   b:       48 85 c0                test   %rax,%rax
   e:       74 07                   je     17 <main+0x17>
  10:       31 c0                   xor    %eax,%eax
  12:       48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  16:       c3                      retq
  17:       bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi
                    18: R_X86_64_32 .rodata.str1.1
  1c:       e8 00 00 00 00          callq  21 <main+0x21>
                    1d: R_X86_64_PC32       puts-0x4
  21:       eb ed                   jmp    10 <main+0x10>

Das putswurde bis zum Ende der Funktion verschoben, die retqRückkehr!

Der neue Code ist im Grunde der gleiche wie:

int i = !time(NULL);
if (i)
    goto puts;
ret:
return 0;
puts:
puts("a");
goto ret;

Diese Optimierung wurde nicht durchgeführt -O0.

Aber viel Glück beim Schreiben eines Beispiels, das mit und __builtin_expectohne schneller läuft. CPUs sind heutzutage wirklich schlau . Meine naiven Versuche sind hier .

C ++ 20 [[likely]]und[[unlikely]]

C ++ 20 hat diese C ++ - Integrationen standardisiert: Verwendung des wahrscheinlichen / unwahrscheinlichen Attributs von C ++ 20 in der if-else-Anweisung Sie werden wahrscheinlich (ein Wortspiel!) Dasselbe tun.

Die Idee von __builtin_expectist, dem Compiler mitzuteilen, dass der Ausdruck normalerweise c ergibt, damit der Compiler für diesen Fall optimieren kann.

Ich würde vermuten, dass jemand dachte, sie wären schlau und sie würden die Dinge dadurch beschleunigen.

Leider kann es die Situation verschlimmert haben, es sei denn, die Situation ist sehr gut verstanden (es ist wahrscheinlich, dass sie so etwas nicht getan haben). Die Dokumentation sagt sogar:

Im Allgemeinen sollten Sie es vorziehen, hierfür das tatsächliche Profil-Feedback zu verwenden ( -fprofile-arcs), da Programmierer bekanntermaßen schlecht in der Vorhersage der tatsächlichen Leistung ihrer Programme sind. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen diese Daten schwer zu erfassen sind.

Im Allgemeinen sollten Sie nur verwenden, __builtin_expectwenn:

• Sie haben ein sehr reales Leistungsproblem
• Sie haben die Algorithmen im System bereits entsprechend optimiert
• Sie haben Leistungsdaten, um Ihre Behauptung zu untermauern, dass ein bestimmter Fall am wahrscheinlichsten ist

Nun, wie es in der Beschreibung heißt, fügt die erste Version der Konstruktion ein Vorhersageelement hinzu, das dem Compiler mitteilt, dass der x == 0Zweig der wahrscheinlichere ist - das heißt, es ist der Zweig, der von Ihrem Programm häufiger verwendet wird.

In diesem Sinne kann der Compiler die Bedingung so optimieren, dass er den geringsten Arbeitsaufwand erfordert, wenn die erwartete Bedingung erfüllt ist, auf Kosten der Notwendigkeit, im Falle einer unerwarteten Bedingung möglicherweise mehr Arbeit zu leisten.

Sehen Sie sich an, wie Bedingungen während der Kompilierungsphase und auch in der resultierenden Assembly implementiert werden, um festzustellen, wie ein Zweig möglicherweise weniger Arbeit als der andere hat.

Allerdings würde ich nur diese Optimierung erwarte spürbare Wirkung zu haben , wenn die bedingte betreffenden Teil einer engen inneren Schleife ist , dass ein aufgerufen wird viel , da der Unterschied in dem resultierenden Code relativ klein ist. Und wenn Sie es falsch herum optimieren, können Sie Ihre Leistung verringern.

Ich sehe keine der Antworten auf die Frage, die Sie meiner Meinung nach gestellt haben, umschrieben:

Gibt es eine portablere Möglichkeit, dem Compiler eine Verzweigungsvorhersage anzuzeigen?

Der Titel Ihrer Frage hat mich dazu gebracht, es so zu machen:

if ( !x ) {} else foo();

Wenn der Compiler davon ausgeht, dass 'true' wahrscheinlicher ist, kann er für das Nichtaufrufen optimieren foo().

Das Problem hierbei ist nur, dass Sie im Allgemeinen nicht wissen, was der Compiler annehmen wird. Daher muss jeder Code, der diese Art von Technik verwendet, sorgfältig gemessen (und möglicherweise im Laufe der Zeit überwacht werden, wenn sich der Kontext ändert).

Ich teste es auf einem Mac gemäß @Blagovest Buyukliev und @Ciro. Die Assemblierungen sehen klar aus und ich füge Kommentare hinzu.

Befehle sind gcc -c -O3 -std=gnu11 testOpt.c; otool -tVI testOpt.o

Wenn ich -O3 ， benutze, sieht es gleich aus, egal ob __builtin_expect (i, 0) existiert oder nicht.

testOpt.o:
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000000000000    pushq   %rbp     
0000000000000001    movq    %rsp, %rbp    // open function stack
0000000000000004    xorl    %edi, %edi       // set time args 0 (NULL)
0000000000000006    callq   _time      // call time(NULL)
000000000000000b    testq   %rax, %rax   // check time(NULL)  result
000000000000000e    je  0x14           //  jump 0x14 if testq result = 0， namely jump to puts
0000000000000010    xorl    %eax, %eax   //  return 0   ,  return appear first 
0000000000000012    popq    %rbp    //  return 0
0000000000000013    retq                     //  return 0
0000000000000014    leaq    0x9(%rip), %rdi  ## literal pool for: "a"  // puts  part, afterwards
000000000000001b    callq   _puts
0000000000000020    xorl    %eax, %eax
0000000000000022    popq    %rbp
0000000000000023    retq

Beim Kompilieren mit -O2 ， sieht es mit und ohne __builtin_expect (i, 0) anders aus.

Zuerst ohne

testOpt.o:
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000000000000    pushq   %rbp
0000000000000001    movq    %rsp, %rbp
0000000000000004    xorl    %edi, %edi
0000000000000006    callq   _time
000000000000000b    testq   %rax, %rax
000000000000000e    jne 0x1c       //   jump to 0x1c if not zero, then return
0000000000000010    leaq    0x9(%rip), %rdi ## literal pool for: "a"   //   put part appear first ,  following   jne 0x1c
0000000000000017    callq   _puts
000000000000001c    xorl    %eax, %eax     // return part appear  afterwards
000000000000001e    popq    %rbp
000000000000001f    retq

Jetzt mit __builtin_expect (i, 0)

testOpt.o:
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000000000000    pushq   %rbp
0000000000000001    movq    %rsp, %rbp
0000000000000004    xorl    %edi, %edi
0000000000000006    callq   _time
000000000000000b    testq   %rax, %rax
000000000000000e    je  0x14   // jump to 0x14 if zero  then put. otherwise return 
0000000000000010    xorl    %eax, %eax   // return appear first 
0000000000000012    popq    %rbp
0000000000000013    retq
0000000000000014    leaq    0x7(%rip), %rdi ## literal pool for: "a"
000000000000001b    callq   _puts
0000000000000020    jmp 0x10

Zusammenfassend funktioniert __builtin_expect im letzten Fall.