实操体验 CPU 的流水线/多发射
Posted doujiang24
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了实操体验 CPU 的流水线/多发射相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
前言
前文 <一行机器指令感受下内存操作到底有多慢> 中,我们体验到了 CPU 流水线阻塞带来的数量级性能差异。当时只是根据机器码,分析推断出来的,这次我们做一些更小的实验来分析验证。
动手之前,我们先了解一些背景。在 \\<CPU 提供了什么> 一文中介绍过,CPU 对外提供了运行机器指令的能力。那 CPU 又是如何执行机器指令的呢?
CPU 是如何执行机器指令的
一条机器指令,在 CPU 内部也分为好多个细分步骤,逻辑上来说可以划分为这么五个阶段:
- 获取指令
- 解析指令
- 执行执行
- 访问内存
- 结果写回
流水线作业
例如连续的 ABCD 四条指令,CPU 并不是先完整的执行完 A,才会开始执行 B;而是 A 取指令完成,则开始解析指令 A,同时继续取指令 B,依次类推,形成了流水线作业。
理想情况下,充分利用 CPU 硬件资源,也就是让流水线上的每个器件,一直保持工作。然而实际上,因为各种原因,CPU 没法完整的跑满流水线。
比如:
- 跳转指令,可能跳转执行另外的指令,并不是固定的顺序执行。
例如这样的跳转指令,可能接下来就需要跳转到400553
的指令。
je 400553
对于这种分支指令,CPU 有分支预测技术,基于之前的结果预测本次分支的走向,尽量减少流水线阻塞。
- 数据依赖,后面的指令,依赖前面的指令。
例如下面的两条指令,第二条指令的操作数r8
依赖于第一条指令的结果。
mov r8,QWORD PTR [rdi]
add r8,0x1
这种时候,CPU 会利用操作数前推技术,尽量减少阻塞等待。
多发射
现代复杂的 CPU 硬件,其实也不只有一条 CPU 流水线。简单从逻辑上来理解,可以假设是有多条流水线,可以同时执行指令,但是也并不是简单的重复整个流水线上的所有硬件。
多发射可以理解为 CPU 硬件层面的并发,如果两条指令没有前后的顺序依赖,那么是完全可以并发执行的。CPU 只需要保证执行的最终结果是符合期望的就可以,其实很多的性能优化,都是这一个原则,通过优化执行过程,但是保持最终结果一致。
实践体验
理论需要结合实践,有实际的体验,才能更清晰的理解原理。
这次我们用 C 内联汇编来构建了几个用例来体会这其中的差异。
基准用例
#include <stdio.h>
void test(long *a, long *b, long *c, long *d) {
__asm__ (
"mov r8, 0x0;"
"mov r9, 0x0;"
"mov r10, 0x0;"
"mov r11, 0x0;"
);
for (long i = 0; i <= 0xffffffff; i++) {
}
__asm__ (
"mov [rdi], r8;"
"mov [rsi], r9;"
"mov [rdx], r10;"
"mov [rcx], r11;"
);
}
int main(void) {
long a = 0;
long b = 0;
long c = 0;
long d = 0;
test(&a, &b, &c, &d);
printf("a = %ldn", a);
printf("b = %ldn", b);
printf("c = %ldn", c);
printf("d = %ldn", d);
return 0;
}
我们用如下命令才执行,只需要 1.38
秒。
注意,需要使用 -O1
编译,因为 -O0
下,基准代码本身的开销也会很大。
$ gcc -masm=intel -std=c99 -o asm -O1 -g3 asm.c
$ time ./asm
a = 0
b = 0
c = 0
d = 0
real 0m1.380s
user 0m1.379s
sys 0m0.001s
以上的代码,我们主要是构建了一个空的 for
循环,可以看下汇编代码来确认下。
一下是 test
函数对应的汇编,确认空的 for
循环代码没有被编译器优化掉。
000000000040052d <test>:
40052d: 49 c7 c0 00 00 00 00 mov r8,0x0
400534: 49 c7 c1 00 00 00 00 mov r9,0x0
40053b: 49 c7 c2 00 00 00 00 mov r10,0x0
400542: 49 c7 c3 00 00 00 00 mov r11,0x0
400549: 48 b8 00 00 00 00 01 movabs rax,0x100000000
400550: 00 00 00
400553: 48 83 e8 01 sub rax,0x1 // 在 -O1 的优化下,变成了 -1 操作
400557: 75 fa jne 400553 <test+0x26>
400559: 4c 89 07 mov QWORD PTR [rdi],r8
40055c: 4c 89 0e mov QWORD PTR [rsi],r9
40055f: 4c 89 12 mov QWORD PTR [rdx],r10
400562: 4c 89 19 mov QWORD PTR [rcx],r11
400565: c3 ret
加入两条简单指令
这次我们在 for
循环中,加入了 “加一” 和 “写内存” 的两条指令。
for (long i = 0; i <= 0xffffffff; i++) {
__asm__ (
"add r8, 0x1;"
"mov [rdi], r8;"
);
}
本次执行时间,跟基础测试基本无差别。
说明新加入的两条指令,和基准测试用的空 for
循环,被“并发” 执行了,所以并没有增加执行时间。
$ gcc -masm=intel -std=c99 -o asm -O1 -g3 asm.c
$ time ./asm
a = 4294967296
b = 0
c = 0
d = 0
real 0m1.381s
user 0m1.381s
sys 0m0.000s
再加入内存读
这个例子,也就是上一篇中优化 LuaJIT 时碰到的情况。
新加入的内存读,跟原有的内存写,构成了数据依赖。
for (long i = 0; i <= 0xffffffff; i++) {
__asm__ (
"mov r8, [rdi];"
"add r8, 0x1;"
"mov [rdi], r8;"
);
}
再来看执行时间,这次明显慢了非常多,是的,流水线阻塞的效果就是这么感人
以上是关于实操体验 CPU 的流水线/多发射的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章