“goto”语句如何影响 CPU 的“分支预测”？

Question

为了了解更多关于 CPU 和代码优化的信息，我开始学习汇编编程。我还阅读了一些巧妙的优化，例如 CPU 为加速自身而进行的“分支预测”。

我的问题可能看起来很愚蠢，因为我还不太了解这个主题。

我有一个非常模糊的记忆，我在某处（在互联网上）读到 goto 语句会降低程序的性能，因为它不能很好地与 CPU 中的分支预测配合使用。然而，这可能只是我编造的东西，并没有真正阅读过。

我认为这可能是真的。

我希望这个例子（在伪 C 中）能阐明我为什么这么认为：

int function(...) {
    VARIABLES DECLARED HERE

    if (HERE IS A TEST) {
        CODE HERE ...
    } else if (ANOTHER TEST) {
        CODE HERE ...
    } else {
        /*
        Let us assume that the CPU was smart and predicted this path.
        What about the jump to `label`?

        Is it possible for the CPU to "pre-fetch" the instructions over there?
        */
        goto label;
    }

    CODE HERE...

label:
    CODE HERE...
}

对我来说，这似乎是一项非常复杂的任务。这是因为 CPU 需要查找 goto 跳转到的位置，以便能够预取那里的指令。

你知道吗？

Answer 1

由于“流水线”和类似活动， 分支指令实际上可以放置几条指令 在实际分支发生的位置之前。 （这是在编译器中找到的分支预测逻辑的一部分）。

goto 语句只是一个跳转指令。

附带说明： 给定结构化编程概念， 代码清晰度、可读性、可维护性考虑等； 永远不要使用“goto”语句。

在大多数 CPU 上， 任何跳转/调用/返回类型的指令都会刷新预取缓存 然后从新位置重新加载该缓存，如果新位置 尚未在缓存中。

注意：对于小循环， 它将始终包含“至少”一个跳转指令， 许多 CPU 都有一个程序员可以利用的内部缓冲区 使小循环只执行一个预取序列 因此执行速度提高了许多数量级。

Answer 2

无条件分支对于分支预测器来说不是问题，因为分支预测器不必预测它们。

它们为推测指令获取单元增加了一点复杂性，因为分支（以及其他改变指令指针的指令）的存在意味着指令并不总是以线性顺序获取。当然，这也适用于条件分支。

请记住，分支预测和推测执行是不同的东西。您不需要分支预测来进行推测性执行：您可以假设从未采用分支的情况下推测性地执行代码，并且如果您确实采用了分支，请取消该分支之外的所有操作。在无条件分支的情况下，这将是一件特别愚蠢的事情，但它会使逻辑保持良好和简单。 （IIRC，这就是第一个流水线处理器的工作方式。）

（我猜你可以在没有推测执行的情况下进行分支预测，但实际上并没有什么意义，因为分支预测器没有人可以告诉它的预测。）

所以是的，分支——条件和无条件的——增加了指令获取单元的复杂性。没关系。 CPU 架构师是一些非常聪明的人。

编辑：在糟糕的过去，人们观察到使用goto 语句可能会对当时的编译器优化代码的能力产生不利影响。这可能是你想的。现代编译器要聪明得多，通常不会被goto 吓到。