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C 的 likely 和 unlikely 的作用

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定义

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#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#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 表示 if 分支大概率会发生，unlikely 代表 if 分支大概率不会发生。

!! 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，所以布尔值是用整型来代替的，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 值全部映射为 1 的效果。

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。

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。

作用原理

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，那取的下一条指令（有的 CPU 设置的是 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。

实践

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# 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
  • objdump 命令是用来查看目标文件或者可执行的目标文件的构成的 gcc 工具。
  • -d 反汇编目标文件中包含的可执行指令。
  • -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
  • -C 一般针对 C++ 语言，用来更友好地显示符号名。

不使用 likely 和 unlikely 选项

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#include <stdlib.h>

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int i = atoi(argv[1]);

    if (i > 0) i--;
    else i++;

    return i;
}

objdump 里面的 main：

没有跳转指令。

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0000000000400440 <main>:
  400440:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  400444:	48 8b 7e 08          	mov    0x8(%rsi),%rdi
  400448:	ba 0a 00 00 00       	mov    $0xa,%edx
  40044d:	31 f6                	xor    %esi,%esi
  40044f:	e8 dc ff ff ff       	callq  400430 <strtol@plt>
  400454:	8d 50 ff             	lea    -0x1(%rax),%edx   // %rax 是返回值寄存器，i-1
  400457:	8d 48 01             	lea    0x1(%rax),%ecx // i+1
  40045a:	85 c0                	test   %eax,%eax // 判断 %eax 是否为 0
  40045c:	0f 4e d1             	cmovle %ecx,%edx // if <=, edx = ecx
  40045f:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  400463:	89 d0                	mov    %edx,%eax // %edx 是最终返回值
  400465:	c3                   	retq
  • -0x1(%rax) 表示 %rax 的值减 1，lea -0x1(%rax),%edx 则表示 %edx 保存的是 i-1
  • 0x1(%rax) 表示 %rax 的值加 1，lea 0x1(%rax),%ecx 则表示 %ecx 保存的是 i+1

x86 寄存器参考文档：https://www.cs.uaf.edu/2017/fall/cs301/lecture/09_11_registers.html

其他参考文档 https://web.stanford.edu/class/archive/cs/cs107/cs107.1186/lectures/14-slides.pdf

使用 likely

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#include <stdlib.h>

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int i = atoi(argv[1]);

    if (likely(i > 0)) i--;
    else i++;

    return i;
}

objdump 里面的 main：

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0000000000400440 <main>:
  400440:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  400444:	48 8b 7e 08          	mov    0x8(%rsi),%rdi
  400448:	ba 0a 00 00 00       	mov    $0xa,%edx
  40044d:	31 f6                	xor    %esi,%esi
  40044f:	e8 dc ff ff ff       	callq  400430 <strtol@plt>
  400454:	85 c0                	test   %eax,%eax
  400456:	7e 08                	jle    400460 <main+0x20> // 小于等于的时候跳转，if 语句块在前面
  400458:	83 e8 01             	sub    $0x1,%eax
  40045b:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  40045f:	c3                   	retq
  400460:	83 c0 01             	add    $0x1,%eax          // else 语句块在后面
  400463:	eb f6                	jmp    40045b <main+0x1b>

使用 likely 的时候，编译器就知道，大部分情况下，if 判断的结果会是 true，所以只有 i <= 0 的时候才会去跳转，这样一来大部分的情况下都不用跳转。

使用 unlikely

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#include <stdlib.h>

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int i = atoi(argv[1]);

    if (unlikely(i > 0)) i--;
    else i++;

    return i;
}

objdump 里面的 main：

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0000000000400440 <main>:
  400440:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  400444:	48 8b 7e 08          	mov    0x8(%rsi),%rdi
  400448:	ba 0a 00 00 00       	mov    $0xa,%edx
  40044d:	31 f6                	xor    %esi,%esi
  40044f:	e8 dc ff ff ff       	callq  400430 <strtol@plt>
  400454:	85 c0                	test   %eax,%eax
  400456:	7f 08                	jg     400460 <main+0x20> // 大于的时候跳转，else 语句块在前面
  400458:	83 c0 01             	add    $0x1,%eax
  40045b:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  40045f:	c3                   	retq
  400460:	83 e8 01             	sub    $0x1,%eax          // if 语句块在后面
  400463:	eb f6                	jmp    40045b <main+0x1b>

使用 unlikely 的时候，编译器就知道，大部分情况下，if 判断的结果会是 false，所以只有 i > 0 的时候才会去跳转，这样一来大部分的情况下都不用跳转。