为什么Linux内核代码中有这么多的likely和unlikely

1、前言

在阅读Linux内核代码时，我们可以看到在if/else结构中，都用到了likely和unlikely这样的判断，其实不只是Linux内核，很多开源代码，比如DPDK，suricata等等，都用到了它们。

ps: 这里两次取反，是把x的表达式变成一个bool类型的值。

那如果我们深究一下，为什么这些开源代码都热衷于在if后面加这么个宏定义呢？使用它到底有什么好处呢？

碰到问题，我们习惯通过搜索引擎找答案，搜索引擎一般给出的答案是：通过likely和unlikely告诉编译器哪个条件分支发生的可能性更大。

这个说法当然没错，只是还没有说到更关键的点子上。

其实，使用likely和unlikely是跟CPU的工作方式有关，今天我们就一起来看一下。

我们一般都知道，C语言由源码变成可以运行的可执行文件包括四个阶段，分别是：

以我写的下面这个C代码likely.c文件为例：

具体过程见下图：

我们使用objdump命令：objdump -S likely.o，看一下likely.o的汇编指令：

在这个过程中，gcc编译器帮我们把likely.c的分支代码逻辑，翻译成了cmpl、je、addl、jmp和subl等汇编机器指令给CPU去执行。

上面的likely.c源码，经过编译，最终生成了likely可执行程序，这个可执行程序现在在磁盘上，当我们在linux系统上通过./likely执行程序时，计算机会把likely程序文件包含的内容，从磁盘读到内存，然后再读到CPU Cache中进行执行。

为什么要有Cache？因为CPU执行指令的速度非常快，而从内存中读数据却慢得多，所以在它们之间加了一个Cache，CPU从内存中读取指令数据时，会把一些热点数据放到Cache中，每次读取时，会先去Cache中看有没有需要的数据，如果没有，才去内存中读取，通过这样的方式来提高CPU的处理效率。

通过下面这张图，我们可以了解到计算机系统存储系统的层次结构，

它是一个金字塔是结构：

另外，CPU从Cache中读取数据，并不是一条一条指令数据的读取，而是以一定大小字节来读取的，一般是64字节，我们也叫做Cache Line。

所以对于上面if语句里面的代码指令，CPU很有可能也是会读到Cache中，从而方便下次进行处理的。

但是这里有一个问题，if/else是一个条件分支，也就是if和else分支包含的内容，是只会执行一个的，所以，如果把if和else中包含的指令都加载到Cache，总有一部分是无用的，而且会占用Cache的空间（Cache的空间很小）。

这部分无用的指令在Cache中不会被命中，我们叫做Cache miss，它也是会影响CPU的性能。

其实，CPU执行指令本身也是带分支预测功能的，就是根据多次执行指令的情况，来动态预测来哪一部分的指令更可能执行，然后就将这部分指令提前加载到Cache中。

那再回到likely.c程序，如果程序员事先从业务逻辑上已经知道了哪一个分支更可能发生，通过likely告诉编译器，编译器可以在编译生成CPU执行指令时，通过改变指令在可执行二进制文件中的顺序，特意让CPU提前加载更有可能发生的分支指令到Cache中，从而来提高CPU的执行效率。

CPU除了会提前对指令预取以外，其实它还是流水线作业的，什么意思呢？就是为了提高性能，避免串行执行指令的等待，CPU执行指令的多个步骤，其实是同步开展的。

CPU 执行一条指令的过程大致如下：

CPU流水线工作示意图如下：

所以，在对if条件进行判断时，其实CPU已经开始在执行条件分支里面的指令了，如果分支预测失败，那么，这些指令的执行都是无效的，对数据的计算操作都要擦除重来，所以对CPU的性能影响还是挺大的。

现代CPU的分支预测准确率可以到90%以上。既然准确率不是100%，就意味着有失败的时候。

如果CPU发现预测错误，会把所有预测之后的指令执行结果全部抛弃，然后从预测分支那里重新开始执行，相当于很多指令白跑了。

预测失败的代价很高，正常一条指令执行需要10-20个指令周期，预测失败的话可能额外多出30-40个指令周期。

因此在分支发生概率严重倾斜、追求极致性能的场景下，使用likely/unlikely才具有较大意义。

怎么样，看了上面的分析，小伙伴们有没有什么想法？是不是没想到，我们写的代码里面，很小很小的一个细节，竟然暗藏有这么深的玄机。小伙伴们对这种类型的文章感不感兴趣呢？要不要小智再给大家多扒一扒？要的话，大家点个分享、在看和点赞，我就知道了，哈哈~~

我的号没有留言功能，不过并不妨碍小伙伴认真仔细读我的文章，上一篇文章

《什么是NUMA，我们为什么要了解NUMA》

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