执行存储在数据段中的 x86 指令的性能损失？

Question

我有一个简单的程序，它首先将一些本机 x86 指令写入声明的缓冲区，然后设置一个指向该缓冲区的函数指针并进行调用。但是，当在堆栈上分配缓冲区时（而不是在堆上，甚至在全局数据区域中），我注意到严重的性能损失。我验证了数据缓冲区中指令序列的开始位于 16 字节边界上（我假设这是 cpu 需要（或希望）它是什么）。我不知道为什么在我的过程中执行指令会有所不同，但在下面的程序中，“GOOD”在我的双核工作站上执行 4 秒，“BAD”需要 6 分钟左右.这里是否存在某种对齐/i-cache/预测问题？我对 VTune 的评估许可刚刚结束，所以我什至无法对此进行分析:(。谢谢。

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

typedef int (*funcPtrType)(int, int);

int foo(int a, int b) { return a + b; }

void main()
{
  // Instructions in buf are identical to what the compiler generated for "foo".
  char buf[201] = {0x55,
                   0x8b, 0xec,
                   0x8b, 0x45, 0x08,
                   0x03, 0x45, 0x0c,
                   0x5D,
                   0xc3
                  };

  int i;

  funcPtrType ptr;

#ifdef GOOD
  char* heapBuf = (char*)malloc(200);
  printf("Addr of heap buf: %x\n", &heapBuf[0]);
  memcpy(heapBuf, buf, 200);
  ptr = (funcPtrType)(&heapBuf[0]);
#else // BAD
  printf("Addr of local buf: %x\n", &buf[0]);
  ptr = (funcPtrType)(&buf[0]);
#endif

  for (i=0; i < 1000000000; i++)
    ptr(1,2);
}

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运行结果如下：

$ cl -DGOOD ne3.cpp
Microsoft (R) 32 位 C/C++ 优化编译器版本 11.00.7022 用于 80x86
版权所有 (C) Microsoft Corp 1984-1997。版权所有。

ne3.cpp
Microsoft (R) 32 位增量链接器版本 5.10.7303
版权所有 (C) Microsoft Corp 1992-1997。版权所有。

/out:ne3.exe
ne3.obj
$ 时间 ./ne3
堆缓冲区地址：410eb0

真正的 0m 4.33s
用户 0m 4.31s
系统 0m 0.01s
$
$
$ cl ne3.cpp
Microsoft (R) 32 位 C/C++ 优化编译器版本 11.00.7022 用于 80x86
版权所有 (C) Microsoft Corp 1984-1997。版权所有。

ne3.cpp
Microsoft (R) 32 位增量链接器版本 5.10.7303
版权所有 (C) Microsoft Corp 1992-1997。版权所有。

/out:ne3.exe
ne3.obj
$ 时间 ./ne3
本地 buf 地址：12feb0

真正的 6m41.19s
用户 6m40.46s
系统 0m 0.03s
$

谢谢。

• 沙桑克

Answer 1

堆栈保护安全？

大胆猜测，您可能会遇到基于 MMU 的堆栈保护方案。许多安全漏洞是基于故意的缓冲区溢出，将可执行代码注入堆栈。解决这些问题的一种方法是使用不可执行的堆栈。这将导致进入操作系统的陷阱，我认为操作系统或某些病毒软件可能会做一些事情。

负 i-cache 一致性交互？

另一种可能性是同时使用代码和数据访问附近地址会破坏 CPU 缓存策略。我相信 x86 实现了一个本质上自动的代码/数据一致性模型，这很可能导致任何内存写入时附近的大量缓存指令失效。您无法通过将程序更改为不使用堆栈来真正解决此问题（显然您可以移动动态代码），因为堆栈始终由机器代码编写，例如，每当推送参数或返回地址时过程调用。

如今，相对于 DRAM 甚至外层缓存环，CPU 的速度非常快，因此任何破坏内层缓存环的事情都会非常严重，而且它的实现可能涉及 CPU 实现中的某种微陷阱，然后是硬件中的“循环”以使事物无效。这不是 Intel 或 AMD 会担心速度的事情，因为对于大多数程序来说，它永远不会发生，而且当它发生时，通常只会在加载程序后发生一次。

Answer 2

我的猜测是，由于您在堆栈上也有变量 i，所以当您在 for 循环中更改 i 时，您会丢弃代码所在的同一缓存行。把代码在缓冲区的中间某处（可能会扩大缓冲区），以使其与其他堆栈变量分开。

另请注意，在堆栈上执行指令通常是安全漏洞（例如缓冲区溢出）被利用的标志。

因此，操作系统通常被配置为禁止这种行为。病毒扫描程序也可能对其采取措施。也许您的程序每次尝试访问该堆栈页面时都在通过安全检查（尽管在这种情况下我希望 sys 时间字段更大）。

如果您想“正式”使内存页可执行，您可能应该查看VirtualProtect()。