RMW 指令是否被认为对现代 x86 有害？

Question

我记得在优化 x86 以提高速度时，通常要避免读取-修改-写入指令。也就是说，你应该避免像add [rsi], 10 这样的东西，它会增加存储在rsi 中的内存位置。建议通常是将其拆分为 read-modify 指令，然后是 store，因此类似于：

mov rax, 10
add rax, [rsp]
mov [rsp], rax

或者，您可以使用显式加载和存储以及 reg-reg 添加操作：

mov rax, [esp]
add rax, 10
mov [rsp], rax

对于现代 x86，这仍然是合理的建议（曾经是这样吗？）？¹

当然，如果内存中的值被多次使用，RMW 是不合适的，因为您会产生冗余的加载和存储。我对一个值只使用一次的情况感兴趣。

基于在 Godbolt 中的探索，所有 icc、clang 和 gcc prefer 使用单个 RMW 指令来编译类似：

void Foo::f() {
  x += 10;
}

进入：

Foo::f():
    add     QWORD PTR [rdi], 10
    ret

所以至少大多数编译器似乎认为 RMW 没问题，因为该值只使用一次。

有趣的是，当增量值是全局而不是成员时，各种编译器不同意，例如：

int global;

void g() {
  global += 10;
}

在这种情况下，gcc 和 clang 仍然是单个 RMW 指令，而 icc prefers 是带有显式加载和存储的 reg-reg add：

g():
        mov       eax, DWORD PTR global[rip]                    #5.3
        add       eax, 10                                       #5.3
        mov       DWORD PTR global[rip], eax                    #5.3
        ret     

也许这与RIP 相对寻址和微融合限制有关？但是，icc13 仍然对-m32 做同样的事情，所以可能更多的是与需要 32 位位移的寻址模式有关。

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¹我故意使用模糊的术语现代 x86 基本上是指英特尔和 AMD 笔记本电脑/台式机/服务器芯片的最后几代。

Answer 1

RMW 指令是否被认为对现代 x86 有害？

没有。

在现代 x86/x64 上，输入指令被翻译成微指令。
任何 RMW 指令都会被分解成多个微指令；事实上，这些微指令将被分解成相同的微指令。

通过使用“复杂”RMW 指令而不是单独的“简单”读取、修改和写入指令，您可以获得以下效果。

1. 需要解码的指令更少。
2. 更好地利用指令缓存
3. 更好地利用可寻址寄存器

您可以在Agner Fog's instruction tables 中清楚地看到这一点。

ADD [mem],const 有 5 个周期的延迟。

MOV [mem],reg 和反之亦然，每个延迟为 2 个周期，ADD reg,const 延迟为 1，总共为 5。

我查看了 Intel Skylake 的时序，但 AMD K10 是一样的。

您需要考虑到编译器必须迎合许多不同的处理器，有些编译器甚至为不同的处理器系列使用相同的核心逻辑。这可能导致相当不理想的策略。

RIP 相对寻址
在 X64 RIP 上，相对寻址需要一个额外的周期来解决旧处理器上的 RIP。
Skylake 没有这种延迟，我相信其他人也会消除这种延迟。
我确定您知道 x86 不支持 EIP 相对寻址；在 X86 上，您必须以一种迂回的方式执行此操作。