用简单的代码，看懂 CPU 背后的重要机制
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2020-08-08 23:40
今天，stackoverflow 突然给我推送来一个问题。
我一看这个问题，竟然是 2012 年，也就是 8 年前的老问题。而其中的高票答案，都已经有 30000 多个赞了。
仔细一看，这个问题还真挺有意思。
这个问题针对如下这样一个简单的代码：
相信大家都能看懂。这段代码对 data 数组中所有大于等于 128 的值进行求和。这样的求和操作运行了 10 万轮。
下面，我们来看一下这段代码的性能。我们这样随机生成一个数组：
使用这个随机生成的数组，测试上面的代码。在我的计算机上，整体耗时是 8.5 秒左右。
下面问题来了。如果，我对这个随机的数组进行一遍排序。对排序后的数组执行上面的代码，性能会有怎样的影响？
可能很多同学都会认为，性能是差不多的。
这是因为，上面的代码过程，只是从头到尾扫描数组，对于数组中的每一个元素，判断其是否大于等于 128，如果是，就加入到 sum 中。
整个算法逻辑，和数组是否有序无关。有序的数组不会提前终止任何操作。不管是有序的数组，还是无序的数组，执行的操作数量是一样多的。
甚至，为了保持公平，我为随机数生成器添加了种子。所以，两次测试的数组中，大于等于 128 的元素个数都是一样的。这就意味着 sum += data[c]; 这个指令的执行次数是一致的。
区别只有：第二次执行，我先对数组进行了排序！
可是，实际结果却是这样的：
大家可以看到，由于测试数据是一样的，所以最终的 sum 结果是一样的。但是第二次，针对有序的数组做实验，消耗的时间仅仅是 2.8 秒左右，比无序的情况快了有 3 倍之多！
大家可能会觉得，这是不是 JVM 在搞什么鬼？那么，同样的代码逻辑，我们尝试用 C++ 实验一遍！
这段代码，我使用无序的数组测试，在我的计算机上，运行时间大概是 18.8 秒左右。（Debug 模式）
但是，当我将数组进行排序以后，运行时间则变成了 5.7 秒！（Debug 模式）
看来，这不是 JVM 的问题，而是有更加底层的优化机制在起作用。
这个机制，就是 CPU 的分支预测（Branch prediction）。
在具体讲解什么是 CPU 的分支预测之前，我们先来看一下什么是 CPU 指令执行的流水线（Pipeline）。
简单来说，一条指令的执行，在 CPU 内部，需要经过若干步骤。
比如，一个常见的模型，是 4 阶段流水线。即一条指令在 CPU 内部的执行，需要有 4 步：
fetch（获取指令） decode（解码指令） execute（执行指令） write-back（写回数据）
经过这四个阶段，才叫完全执行完了一条指令。
我们可以类比这样的一个例子。
我们去很多旅游景区吃饭，餐厅会使用半自助的形式由游客来选餐。游客进入选餐队伍之后，需要完成以下的事情，才能真正的执行完“买饭”这件事情，开始享用香喷喷的午餐：
选择一个主菜 选择一个配菜 选择一个饮料 去结账！
对于这个流程的执行，我们当然可以等 A 同学选好他的午饭：主菜，配菜和饮料，并且结完账，然后 B 同学再去选择他的午饭。▼
相信同学们都明白，这样做是低效的。
在 A 同学选择完主菜，去选择配菜的时候，B 同学就已经可以上去选择他的主菜了。▼
当 A 同学开始选择饮料的时候，B 同学已经可以选择配菜了，而 C 同学，此时就可以开始选择主菜了。▼
这样做，当 A 同学结完账的时候，E 同学都已经开始选主菜了。▼
很显然，这样做效率更高。
这就叫流水线。一个同学不需要等前一个同学完成所有选餐的步骤再去选餐，而只要完成一步，下一个同学就可以跟进。
CPU 的流水线完全同理。因为执行每一条指令需要 4 步。所以，在执行 A 指令的时候，一旦完成了 A 指令的 fetch 操作，进入 A 指令的 decode 阶段，就可以对下一条 B 指令执行 fetch 操作了。▼
当 A 指令 decode 完成，进入 execute 阶段，就可以开始对 B 指令进行 decode 了，同时，B 指令的下一条 C 指令，就可以开始 fetch 了。▼
那么问题来了，现在，如果一条指令是 if，怎么办？
为什么 if 指令会出问题？因为对于 if 指令，我们必须等它运行完，才能知道下一条指令是什么！下一条指令是根据 if 表达式中的结果是真还是假来决定的！
而实际情况，可能不是简单的一条指令的问题。因为 if 表达式的计算，可能涉及多个操作。
比如上面代码中，就算是 if(data[c] >= 128) 这个简单的逻辑，我们也需要先解析出 c 的值，再拿出 data，再从 data 中拿出 c 这个索引对应的元素，再去比较这个元素是不是大于等于 128。
可以想象，后面的指令就停在这里了。需要等这一系列 if 判断相关的指令都执行完，计算出最终结果，才能决定下面把哪条指令放入流水线。
这显然会对性能产生影响。于是，现代 CPU 对于这种情况，都设计了一个机制，叫做分支预测（Branch Prediction）。
简单来说，分支预测就是针对这种 if 指令，不等它执行完毕，先预测一下执行的结果可能是 true 还是 false，然后将对应条件的指令放进流水线。
如果等 if 语句执行完毕，发现最初预测错了，那么我们把这些错误的指令计算结果扔掉就好了，转而重新把正确的指令放到流水线中执行。
这种情况，虽然也会损失一些性能，但可以接受。因为反正如果不做预测，时间也会空耗，对应就是 CPU 的时钟周期空转。
但一旦预测对了，那就是一个巨大的性能提升。因为后续指令已经进入流水线，执行起来了。我们直接继续这个过程就好。
这就是 CPU 的分支预测，是不是很简单？
具体 CPU 的分支预测是如何实现的？不同的体系架构，包括同一体系架构 CPU 的不同版本，会有不同的策略。
但是，整体上，一个重要的策略，是参考某条 if 指令执行过程中判断为 true 或者 false 的历史记录。
这应用了在计算机领域经常使用的一个原理：局部性原理。
通常在操作系统课程中，都会介绍这个重要的原理。很多算法或者数据结构的设计，也是基于这个原理的。
比如，计算机体系结构设计，都是分层的。从外存；到内存；到一级缓存，二级缓存；到寄存器。存储容量逐渐减小；但是，运算速度越来越快。
操作系统在运行的过程中，就需要做一个重要的调度：决定把什么数据放到更高层次的缓存中，以提升程序运行的效率。
局部性原理说的就是：
如果一个信息正在访问，那么近期很有可能会再次访问，这叫时间局部性；
如果一个信息正在访问，那么近期访问的其他信息，大概率在空间地址上，和这个信息的空间地址邻近，这叫空间局部性。
这样的局部性原理同样被应用在了 CPU 对 if 的条件分支预测上。一个 if 现在被判为 true，下次，会更高概率的判为 true。当然，实际的预测逻辑会更复杂，但是，局部性原理是一个重要的参考。
我称之为：if 局部性原理。
（我瞎编的，听说多使用这种让人摸不到头脑的术语，会显得文章更加高大上。）
现在，大家应该明白了。对于文章开始讨论的代码，如果数据经过了排序，那么，所有小于 128 的数据就都在数组的前面；所有大于等于 128 的数据，就都在数组的后面。
那么，在下面的执行过程中，CPU 根据历史记录对 if 进行分支预测，就会高概率命中，提升性能。
而对于完全随机的数组，数据是否大于等于 128 是完全随机的，这就导致 CPU 的分支预测总是失效，从而，降低了性能。
好了，原理解释清楚了。下面，我们看一下，在这个程序中，我们可不可以避免这种分支预测经常失败导致的性能问题？
答案是，可以！我们需要想办法去掉 if 判断。
怎么去除？在这个程序中，我们可以使用这样的方式：
注意上面的代码中，红框的部分，代替了原来的 if 逻辑。
为什么这是等价的？我们可以简单分析一下。
首先看变量 t 的值。他是 data[c] - 128 的结果右移 31 位。
大家可以想象：
如果 data[c] - 128 是非负数，右移补零，符号位也是 0。右移 31 位的结果是 0x0000；
如果 data[c] - 128 是负数，右移补一，符号位也是 1。右移 31 位的结果，是 0xffff。
在下面的 sum 计算中，先对 t 取反。
那么如果 data[c] - 128 是非负数，即 data[c] >= 128，t 就是 0x0000，取反的结果是 0xffff。0xffff 每一位都是 1，和 data[c] 做与运算，结果还是 data[c] 自身。此时，相当于把 data[c] 加入了 sum 中。
如果 data[c] - 128 是负数，即 data[c] < 128，t 就是 0xffff。此时对 t 取反，结果为 0。0 和 data[c] 做与运算，结果还是 0。此时，相当于 sum 什么都没有加。
所以，这和判断一下 data[c] 是否大于等于 128，如果大于等于，再做加法运算，是等价的。但是，我们去掉了 if 判断。
这个代码的性能是怎样的？在我的计算机上，不做排序的话，只需要 1.7 秒（对比之前的 8.4 秒）。
更重要的是，这个代码的性能，不再受原始数组是否排序而影响。当排序以后，执行时间，也是同一个数量级的。
使用 C++ 测试，结果是类似的。
怎么样，是不是很酷？
关于分支预测，有兴趣的同学，可以参考维基百科的 Branch predictor 词条，了解更多。
完
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