CPU分支预测对程序的影响

分支预测的英文名字是「Branch Prediction」

大家可以在Google上搜索这个关键字，可以看到关于分支预测的很多内容，不过要搞清楚分支预测如何工作的，才是问题的关键。

 

分支预测对程序的影响

我们来看看下面的两段代码

代码1

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    // Generate data
    const unsigned arraySize = 32768;
    int data[arraySize];
    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;
    // !!! With this, the next loop runs faster.
    //std::sort(data, data + arraySize);
    // Test
    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i) {
        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c) { // Primary loop
            if (data[c] >= 128) sum += data[c];
        }
    }
    double elapsedTime = static_cast(clock()-start) / CLOCKS_PER_SEC;
    std::cout << elapsedTime << '
';
    std::cout << "sum = " << sum << '
';
}

执行结果

@ubuntu:/data/study$ g++ fenzhi.cpp && ./a.out
21.6046
sum = 314931600000

代码2

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    // Generate data
    const unsigned arraySize = 32768;
    int data[arraySize];
    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;
    // !!! With this, the next loop runs faster.
    std::sort(data, data + arraySize);
    // Test
    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i) {
        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c) { // Primary loop
            if (data[c] >= 128) sum += data[c];
        }
    }
    double elapsedTime = static_cast(clock()-start) / CLOCKS_PER_SEC;
    std::cout << elapsedTime << '
';
    std::cout << "sum = " << sum << '
';
}

执行结果：

@ubuntu:/data/study$ g++ fenzhi.cpp && ./a.out
8.52157
sum = 314931600000

第一段代码生成随机数组后，没有进行排序，第二段代码对随机的数组进行排序，执行的时间上发生了非常大的差异。

 

所以，他们发生了什么事情呢？

导致他们结果不同的原因，就是分支预测，分支预测是CPU处理器对程序的一种预测，和CPU架构有关系，现在的很多处理器都有分支预测的功能。

CPU在执行这段代码的时候

if (data[c] >= 128) sum += data[c];

CPU会有一个提前预测机制，比如前面的执行结果都是true，那么下一次在判断if的时候，就会默认认为是true来处理，让下面的几条指令提前进入预装。

当然，这个判断不会影响实际的结果输出，这个判断只是为了让CPU并行执行代码。

CPU执行一条指令分为几个阶段

既然是分阶段执行，也就是我们正常说的pipeline(流水线执行)。

流水线的工人只要完成自己负责的内容就好了，没有必要去关心其他的人处理。

那如果我有一段代码，如下：

int a = 0;
a += 1;
a += 2;
a += 3;

 

 

从这个图上我们可以看到，我们认为是在执行 a = 0结束后，才会执行a+=1。

但是实际CPU是在执行a=0的第一条执行后，马上就去执行a+=1的第一条指令了。

也就因为这样，执行速度上得到了大幅度的提升。
 

但是对于if() 语言，在没有分支预测的时候，我们需要等待if()执行出现结果后才能继续执行下一个代码。

如果存在分支预测的情况

通过比较我们可以发现，如果存在分支预测的时候，就让执行速度变快了。

 

那如果预测失败，会不会就影响了执行的时间，答案是肯定的。

在前面的例子中，没有对数组排序的情况下，分支预测大部分都会是失败的，这个时候就会在执行结束后重新取指令执行，会严重影响执行效率。

而在排序后的例子中，分支预测一直处于成功的状态，CPU的执行速率得到大幅度的提升。

 

如果解决分支预测引起的性能下降

分支预测一定会存在一定的能性下降，想让性能提升的方法就是不要使用这个该死的if语句。

比如，上面的代码，我们可以修改成这样

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    // Generate data
    const unsigned arraySize = 32768;
    int data[arraySize];
    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;
    // !!! With this, the next loop runs faster.
    //std::sort(data, data + arraySize);
    // Test
    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i) {
        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c) { // Primary loop
            int t = (data[c] - 128) >> 31;
            sum += ~t & data[c];
        }
    }
    double elapsedTime = static_cast(clock()-start) / CLOCKS_PER_SEC;
    std::cout << elapsedTime << '
';
    std::cout << "sum = " << sum << '
';
}

比如，我们看到的绝对值代码，里面也用了这样的思想

/**
 * abs - return absolute value of an argument
 * @x: the value. If it is unsigned type, it is converted to signed type first.
 * char is treated as if it was signed (regardless of whether it really is)
 * but the macro's return type is preserved as char.
 *
 * Return: an absolute value of x.
 */
#define abs(x) __abs_choose_expr(x, long long, 
    __abs_choose_expr(x, long, 
    __abs_choose_expr(x, int, 
    __abs_choose_expr(x, short, 
    __abs_choose_expr(x, char, 
    __builtin_choose_expr( 
      __builtin_types_compatible_p(typeof(x), char), 
      (char)({ signed char __x = (x); __x<0?-__x:__x; }), 
      ((void)0)))))))

#define __abs_choose_expr(x, type, other) __builtin_choose_expr( 
  __builtin_types_compatible_p(typeof(x), signed type) || 
  __builtin_types_compatible_p(typeof(x), unsigned type), 
  ({ signed type __x = (x); __x < 0 ? -__x : __x; }), other)

当然，你也可以这样写

int abs(int i){
 

  if(i<0)
    return ~(--i);
  return i;
}

所以说，计算机的尽头是数学

参考：

https://stackoverflow.com/questions/11227809/why-is-processing-a-sorted-array-faster-than-processing-an-unsorted-array/11227902#11227902

https://blog.csdn.net/loongshawn/article/details/118339009

https://blog.csdn.net/DBC_121/article/details/105360658

编辑：黄飞