静态分支预测/GCC优化

Question

考虑以下 C 程序：

void bar();
void baz();

void foo( int a ) {
    if ( a ) {
        bar();
    }
    else {
        baz();
    }
}

在我基于 x86-64 的计算机上，GCC 生成的具有 -O1 优化级别的指令给出：

 0: sub    $0x8,%rsp
 4: test   %edi,%edi
 6: je     14 <foo+0x14>
 8: mov    $0x0,%eax
 d: callq  12 <foo+0x12> # relocation to bar
12: jmp    1e <foo+0x1e>
14: mov    $0x0,%eax
19: callq  1e <foo+0x1e> # relocation to baz
1e: add    $0x8,%rsp
22: retq

而添加 -freorder-blocks 优化参数（包含在 -O2 中）会将代码变为：

 0: sub    $0x8,%rsp
 4: test   %edi,%edi
 6: jne    17 <foo+0x17>
 8: mov    $0x0,%eax
 d: callq  12 <foo+0x12> # relocation to baz
12: add    $0x8,%rsp
16: retq   
17: mov    $0x0,%eax
1c: callq  21 <foo+0x21> # relocation to bar
21: add    $0x8,%rsp
25: retq

主要是从jump equals到jump not equals的变化。我知道直到 Pentium 4，条件前向分支上的静态分支预测被认为没有被处理器采用（似乎静态预测在更多的英特尔处理器上变得随机），因此我想这种优化正在处理这个问题。

假设并参考 jne 优化版本，这意味着 else 块实际上被认为比 if 程序流中的块。

但这究竟是什么意思呢？由于编译器没有对 foo 函数中的 a 值进行假设，因此这种概率仅依赖于程序员的著作（实际上他们可能使用了if ( !a ) if ( a ) 和反向函数调用）。

这是否意味着将 if 条件块视为例外情况（而不是正常的执行流程）应该被视为一种好习惯？

即：

if ( !cond ) {
    // exceptional code
}
else {
    // normal continuation
}

代替：

if ( cond ) {
    // normal continuation
}
else {
    // exceptional code
}

（当然，人们可能更喜欢在相关块中使用 return 语句来限制缩进大小）。

Answer 1

我曾经在 ARM(7,9) 上进行过大量的性能优化操作。它是纯 C 语言，足够愚蠢的编译器（SDT AFAIR）。节省一些 CPU 资源的方法之一是分析if 分支并重写if 条件，以便正常流程不会破坏线性指令序列。这产生了积极的影响，因为 CPU 预测块更有效的使用和更有效的代码段内存缓存使用。

我认为在这里我们看到了非常接近的优化。在第一个代码片段中，两个分支都导致正常序列被破坏（一个分支使用 lavel 6，另一个分支使用 12）。在第二个片段中，一个分支指令被排序到retq，而其他分支序列具有单跳（不比第一个片段中的差）。请注意2retq的说明。

所以我可以看到这不是je 或jne 的问题，而是块重新排序的问题，因此分支是线性指令序列，其中一个在没有任何jump 的情况下输入并节省了完整的预测块功率。

关于“为什么 GCC 更喜欢一个分支而不是另一个分支”...我在文档中看到这可能是静态分支预测的结果（基于翻译单元内的调用？）。无论如何，我建议与__builtin_expect 一起玩以获得更详细的答案。