分支预测会导致非法指令吗？答案

【问题标题】：Can branch prediction cause illegal instruction?分支预测会导致非法指令吗？
【发布时间】：2014-01-25 13:31:56
【问题描述】：

在下面的伪代码中：

if (rdtscp supported by hardware) {
    Invoke "rdtscp" instruction
} else {
    Invoke "rdtsc" instruction
}

假设 CPU 不支持 rdtscp 指令，所以我们回退到 else 语句。

如果 CPU 错误预测了分支，指令流水线是否有可能尝试执行 rdtscp 并抛出 Illgal Instruction 错误？

【问题讨论】：

应该不行。投机执行需要表现得好像它不是投机的。所以所有的错误（访问错误、对齐、非法指令等）都需要被抑制，直到你退出推测执行模式。
这是一个很好的论点。不过，我希望有一些指向可靠来源的指针（例如英特尔手册）
分支预测只是填充缓存？它实际上并没有执行，不是吗？
乱序/推测执行和内存重新排序的黄金法则是“不要破坏单线程代码”。只要正确的代码始终正确运行，CPU 就可以在后台做任何事情。

标签： assembly x86-64 cpu-architecture branch-prediction

【解决方案1】：

指令陷阱，例如“非法指令”陷阱，在指令执行时生效，而不是之前。程序通常取决于程序在陷阱被抛出的那一刻处于什么状态，因此提前执行它们将是架构中的一个严重错误。

编辑：好的，好的。来自英特尔软件开发人员手册，第 3A 卷：

P6 系列处理器推测执行指令的能力不会影响通过以下方式处理中断处理器。中断发生在指令退出阶段的指令边界处执行;所以它们总是按“有序”指令流处理。

【讨论】：

【解决方案2】：

英特尔处理器手册第 3A 卷第 6.15 章明确记录了#UD 陷阱（无效的操作码执行）：

在实现乱序执行微架构的 Intel 64 和 IA-32 处理器中，此异常不生成，直到尝试退出执行无效指令的结果；也就是说，解码和推测性地尝试执行无效的操作码不会产生此异常。同样，在奔腾处理器和更早的 IA-32 处理器，此异常不会作为预取和初步的结果生成解码无效指令。

【讨论】：

这非常准确地回答了我的问题！谢谢。

【解决方案3】：

这取决于您如何定义“原因”。它可以产生一些可观察的效果吗？是的。

正如 Hans 和 Sneftel 所指出的 - 异常、中断、陷阱等都在退休时发生，错误路径代码永远不会到达。因此，错误预测的分支不会导致错误路径指令的提交/退出，包括它们可能尝试执行的任何非法操作码。

但是，错误预测的代码路径可能会以更微妙的方式影响微架构状态，您可能已经执行和缓存了加载、完成了页面遍历以及各种其他微架构事件 - 简而言之，所有艰苦的工作当你不小心去错误地预测某些分支时，你的 CPU 会执行此操作（这在 OOO CPU 中相当多）。我非常怀疑那里的任何 CPU 都会将所有这些东西从你的缓存/TLB 中捞出来，所以要考虑到这些东西以后会影响你的程序的性能（无论好坏），只是不在其功能行为上。

如果您从事优化性能的业务（并且可能太复杂而无法使用），这可能不值得，但如果您从事保护代码的业务 - 一些黑客，则可能需要考虑可能有办法从缓存中嗅探此类数据。

【讨论】：

这是一个很好的观点。不过，对于我illegal instruction 的特殊情况，CPU 希望不会造成太大的损害！除了可能将其加载到指令缓存中。