小小的 likely 背后却大有玄机！

开发内功修炼

发布于 2022-05-09 21:47:18

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发布于 2022-05-09 21:47:18

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大家好，我是飞哥！

今天我给大家分享一个内核中常用的提升性能的小技巧。理解了它对你一定大有好处。

在内核中很多地方都充斥着 likely、unlikely 这一对儿函数的使用。随便揪两处，比如在 TCP 连接建立的过程中的这两个函数。

//file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
 if (likely(!do_fastopen)) 
  ...
}
//file: net/ipv4/tcp_input.c
int tcp_rcv_established(struct sock *sk, ...)
{
 if (unlikely(sk->sk_rx_dst == NULL))
  ......
}

在刚开始看源码的时候，我也没弄懂这一对儿函数的玄机。后来才搞懂它原来对性能提升是有帮助的。今天我就来和大家聊聊 likely、unlikely 是如何帮助性能提升的。

1. likely 和 unlikely

咱们先来挖挖这对儿函数的底层实现。

//file: include/linux/compiler.h
#define likely(x)   __builtin_expect(!!(x),1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x),0)

可以看到其实它们就是对 __builtin_expect 的一个封装而已。__builtin_expect 这个指令是 gcc 引入的。该函数作用是允许程序员将最有可能执行的分支告诉编译器，来辅助系统进行分支预测。(参见 https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Other-Builtins.html)

它的用法为：__builtin_expect(EXP, N)。意思是：EXP == N的概率很大。那么上面 likely 和 unlikely 这两句的具体含义就是：

__builtin_expect(!!(x),1) x 为真的可能性更大
__builtin_expect(!!(x),0) x 为假的可能性更大

当正确地使用了__builtin_expect后，编译器在编译过程中会根据程序员的指令，将可能性更大的代码紧跟着前面的代码，从而减少指令跳转带来的性能上的下降。

2. 实际动手验证

那我们实际动手写两个例子，来窥探一下编译器是如何进行优化的。为此我写了一段简单的测试代码，如下：

#include <stdio.h>
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x)  __builtin_expect(!!(x), 0)

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

 if (likely(n == 10)){
  n = n + 2;
 } else {
  n = n - 2;
 }
 printf("%d\n", n);
 return 0;
}

这段代码非常简单，对用户的输入做一个 if else 判断。在 if 中使用了 likely，也就是假设这个条件为真的概率更大。那么我们来看看它编译后的汇编码来看看。

图中上面红框内是对 if 的汇编结果，可见它使用的是 jne 指令。它的作用是看它的上一句比较结果，如果不相等则跳转到 4004bc 处，相等的话则继续执行后面的指令。

在 jne 指令后面紧挨着的是 n = n + 2 对应的汇编代码，也就是说它把 n = n + 2 这段代码逻辑放在了紧挨着自己身边。而把 n = n - 2 的执行逻辑放在了离当前指令较远的 4004bc 处。

我们再把 likey 换成 unlikey 看一下，发现结果是正好相反，这次把 n = n - 2 的执行逻辑放在前面了，如图。

注意，编译时需要加 -O2 选项，使用 objdump -S 来查看汇编指令。为了方便大家使用，我把它写到 makefile 里了，和测试代码一起放到了咱们的 Github 上了。大家想动手的可以玩玩，地址：https://github.com/yanfeizhang/coder-kung-fu/tree/main/tests/cpu/test01