C语言进阶——likely和unlikely
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摘自：https://blog.csdn.net/weixin_44873133/article/details/107302688
这篇文章分析的很牛逼啊！
1、 定义
1 #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
2 #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
builtin_expect是编译器内建函数，原型为long builtin_expect (long exp, long c)。该函数并不会改变exp的值，但是可以对if-else分支或者if分支结构进行优化。likely代表if分支大概率会发生，unlikely代表if分支大概率不会发生。
Tips: !!是C语言中处理逻辑表达式的一个技巧。因为C语言中没有布尔变量，所以布尔值是用整形来代替的，0为假，非0为真。当x为0时，!(x)为1，!!(x)为0，!!的运算没有什么意义；但当x为非0时（比如100），!(x)为0，!!(x)为1，这样就达到了将非0值（比如100）全部都映射为1的效果。
通过分析发现，unlikely的定义其实是可以不使用!!运算符的。
在文件linux-5.13.7/include/linux/compiler.h找到：
39 /*
40 * Using __builtin_constant_p(x) to ignore cases where the return
41 * value is always the same. This idea is taken from a similar patch
42 * written by Daniel Walker.
43 */
44 # ifndef likely
45 # define likely(x) (__branch_check__(x, 1, __builtin_constant_p(x)))
46 # endif
47 # ifndef unlikely
48 # define unlikely(x) (__branch_check__(x, 0, __builtin_constant_p(x)))
49 # endif
77 # define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
78 # define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
79 # define likely_notrace(x) likely(x)
80 # define unlikely_notrace(x) unlikely(x)
既然程序是我们程序员所写，在一些明确的场景下，我们应该比CPU和编译器更了解哪个分支条件更有可能被满足。我们是否可将这一先验知识告知编译器和CPU, 提高分支预测的准确率，从而减少CPU流水线分支预测错误带来的性能损失呢？答案是可以！它便是likely和unlikely。在Linux内核代码中，这两个宏的应用比比皆是。
2、应用场景
总的来说，对代码运行效率有要求的if-else或if分支就应该使用likely或unlikely优化选项。
3、注意事项
- likely和unlikely的概率判断务必准确，不要写反了，否则非但不能提升运行效率，反而会起到反作用。
- 选择表达式时要选择编译阶段编译器无法推测出真假的表达式，否则优化不起作用。
- 编译时需要至少使用-O2选项，否则优化不起作用。
4、作用机理
4.1、理论
使用likely或unlikely为什么会起到提升代码运行效率的优化效果呢？
主要的作用机理有以下2点：
- gcc编译器在编译生成汇编代码时会在编译选项的引导下调整if分支内代码的位置，如果是likely修饰过的就调整到前面，如果是unlikely修饰过的就调整到后面。放到前面的代码可以节省跳转指令带来的时间开销，从而达到提升效率的目的。
- 当代CPU都有ICache和流水线机制，在运行当前这条指令时，ICache会预读取后面的指令，以提升运行效率。但是如果条件分支的结果是跳转到了其他指令，那预取的下一条指令（有的CPU设计是4级流水，也就是4条指令）就没用了，这样就降低了流水线的效率。如果使用likely和unlikely来指导编译器总是将大概率执行的代码放在靠前的位置，就可以大大提高预取值的命中率，从而达到提升效率的目的。
4.2、实践
下面通过一个小栗子来感受一下likely和unlikely的行为。
期间使用的工具有gcc和objdump。涉及到的指令如下：
# 编译生成a.out，注意使用-O2选项，否则不生效
gcc -O2 test.c
# 根据生成的a.out生成反汇编代码
objdump -CS a.out > objdump.txt
Tips: objdump命令是用查看目标文件或者可执行的目标文件的构成的gcc工具
(1）-d：反汇编目标文件中包含的可执行指令。 (2）-S：混合显示源码和汇编代码，前提是在编译目标文件时加上-g，否则相当于-d。 (3）-C：一般针对C++语言，用来更友好地显示符号名。
4.2.1 不使用likely或unlikely选项
通过实践发现，如果按照博主代码来做，会很难发现if-else语句在哪里，根本无法进行判断，我在这里花费了大半天的时间来研究。 最终终于明白：这个自增和自减在O2优化中被优化掉了。
两种方法可以解决：
- 如果把变量变成全局变量就不会被优化。
- 使用其他函数可以区分，如puts和fprintf。
/* 未使用likely或unlikely选项 */
int main(int argc, char *argv[])
{
// 下面这句注释根本不可靠，明明GCC能优化掉
int i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
if (i > 0) {
i--;
} else {
i++;
}
return i;
}
0000000000400430 <main>:
400430: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400434: 48 8b 7e 08 mov 0x8(%rsi),%rdi
400438: 31 c0 xor %eax,%eax
40043a: e8 d1 ff ff ff callq 400410 <atoi@plt>
40043f: 8d 48 ff lea -0x1(%rax),%ecx
400442: 8d 50 01 lea 0x1(%rax),%edx
400445: 85 c0 test %eax,%eax
400447: 89 c8 mov %ecx,%eax
400449: 0f 4e c2 cmovle %edx,%eax
40044c: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400450: c3 retq
400451: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
400458: 00 00 00
40045b: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
使用全局变量：
/* 未使用likely或unlikely选项 */
int i;
int main(int argc, char *argv[])
{
i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
if (i > 0) {
i--;
} else {
i++;
}
return i;
}
0000000000400430 <main>:
400430: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400434: 48 8b 7e 08 mov 0x8(%rsi),%rdi
400438: 31 c0 xor %eax,%eax
40043a: e8 d1 ff ff ff callq 400410 <atoi@plt>
40043f: 85 c0 test %eax,%eax
400441: 7e 14 jle 400457 <main+0x27>
400443: 83 e8 01 sub $0x1,%eax 注意到if分支内容在前
400446: 89 05 f0 0b 20 00 mov %eax,0x200bf0(%rip) # 60103c <i>
40044c: 8b 05 ea 0b 20 00 mov 0x200bea(%rip),%eax # 60103c <i>
400452: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400456: c3 retq
400457: 83 c0 01 add $0x1,%eax 注意到else分支内容在后
40045a: 89 05 dc 0b 20 00 mov %eax,0x200bdc(%rip) # 60103c <i>
400460: eb ea jmp 40044c <main+0x1c>
400462: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
400469: 00 00 00
40046c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
JLE/JNG： 小于或等于转移。
4.2.2 使用likely选项
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
int i;
int main(int argc, char *argv[])
{
i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
if (likely(i > 0)) {
i--;
} else {
i++;
}
return i;
}
0000000000400430 <main>:
400430: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400434: 48 8b 7e 08 mov 0x8(%rsi),%rdi
400438: 31 c0 xor %eax,%eax
40043a: e8 d1 ff ff ff callq 400410 <atoi@plt>
40043f: 85 c0 test %eax,%eax
400441: 7e 0e jle 400451 <main+0x21>
400443: 83 e8 01 sub $0x1,%eax 注意到if分支内容在前
400446: 89 05 f0 0b 20 00 mov %eax,0x200bf0(%rip) # 60103c <i>
40044c: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400450: c3 retq
400451: 83 c0 01 add $0x1,%eax 注意到else分支内容在后
400454: 89 05 e2 0b 20 00 mov %eax,0x200be2(%rip) # 60103c <i>
40045a: eb f0 jmp 40044c <main+0x1c>
40045c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
4.2.3 使用unlikely选项
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
int i;
int main(int argc, char *argv[])
{
i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
if (unlikely(i > 0)) {
i--;
} else {
i++;
}
return i;
}
0000000000400430 <main>:
400430: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400434: 48 8b 7e 08 mov 0x8(%rsi),%rdi
400438: 31 c0 xor %eax,%eax
40043a: e8 d1 ff ff ff callq 400410 <atoi@plt>
40043f: 85 c0 test %eax,%eax
400441: 7f 0e jg 400451 <main+0x21>
400443: 83 c0 01 add $0x1,%eax 注意到else分支内容被提前了
400446: 89 05 f0 0b 20 00 mov %eax,0x200bf0(%rip) # 60103c <i>
40044c: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400450: c3 retq
400451: 83 e8 01 sub $0x1,%eax 注意到if分支内容被后移了
400454: 89 05 e2 0b 20 00 mov %eax,0x200be2(%rip) # 60103c <i>
40045a: eb f0 jmp 40044c <main+0x1c>
40045c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
JG/JNLE： 大于转移。
5、汇编指令查询
https://baike.baidu.com/item/%E6%B1%87%E7%BC%96%E6%8C%87%E4%BB%A4/9979890?fr=aladdin