Likely and Unlikely
Likely() 와 Unlikely() 의 사용법과 용도를 알아보자. 원본 URL : http://kernelnewbies.org/FAQ/LikelyUnlikely
이 함수들은 뭐하는 건가?
예제를 보자.
bvl = bvec_alloc(gfp_mask, nr_iovecs, &idx); if (unlikely(!bvl)) { mempool_free(bio, bio_pool); bio = NULL; goto out; }
위와 같이, 특정 condition 을 확인하는 용도로 사용되는데 위의 code는 bvec_alloc으로 할당 받고 bvl 이 유효하지 않는 address이라면 free 하고 NULL 로 만들어주는 code이다.
likely(), unlikely() 는 include/linux/compiler.h 에 정의된 macro 이다. 이것의 용도는 컴파일러에게 branch 예측을 도와 주는 용도로 사용이된다. 즉, 대부분 0으로 예측이 된다면 unlikely(x) 의 형태로 쓰고, 1로 예상되는 값을 likely(x) 로 쓴다. 예측을 도와 줌으로써 성능의 향상을 볼 수 있도록 하는 것이다.
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
__builtin_expect() 함수는 GCC 문서의 설명을 살펴보면,(원본은 http://kernelnewbies.org/FAQ/LikelyUnlikely 여기에서 보시길)
-- Built-in Function: long __builtin_expect (long EXP, long C)
'__builtin_expect' 를 사용하는 것은 compiler 에게 branch prediction 정보를 제공해주기 위한 것이다. 일반적으로 개발자들은 자신의 program이 실제로 어떻게 수행되는지 알기가 힘들기 때문에 '-fprofile-arcs' option을 통해 profile 을 feedback 받는 것을 선호합니다. 그렇지만, 어떤 application들은 이것 조차도 수집하기 힘든경우가 있긴 하다.
반환 값은(return value)는 EXP 인 완전한(?) 표현이어야 한다.(아래의 예제를 통해..) EXP와 C는 서로 같아야 합니다.(EXP == C)
if (__builtin_expect (x, 0))
foo ();
이렇게 구현한 것의 의미는 foo() 라는 함수가 불리지 않기를 기대하는 것입니다. 즉, 'x' 는 대부분 0 의 값을 가졌으면 한다는 것이다. 또 다른 방법으로는 EXP 에 "식"으로 사용할 수 있다.
if (__builtin_expect (ptr != NULL, 1))
error ();
예제가 조금 이상하다. ptr != NULL 인 경우가 대부분이라고 알려주는 것인데, NULL 이 아닐때는 error() 가 실행된다. 아닌 경우라면 bypass.
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) int main(char *argv[], int argc) { int a; /* Get the value from somewhere GCC can't optimize */ a = atoi (argv[1]); if (unlikely (a == 2)) a++; else a--; printf ("%d\n", a); return 0; }
위의 code를 편집기에 붙여 넣고 저장 한뒤,(test.c)
$ gcc -o test test.c -O2
$ objdump -S test
하면 많은 내용들이 나오는데 그 중에 <main> 이라는 부분을 찾아보면
080483b0 <main>: // Prologue 80483b0: 55 push %ebp 80483b1: 89 e5 mov %esp,%ebp 80483b3: 50 push %eax 80483b4: 50 push %eax 80483b5: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp // Call atoi() 80483b8: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax 80483bb: 83 ec 1c sub $0x1c,%esp 80483be: 8b 48 04 mov 0x4(%eax),%ecx 80483c1: 51 push %ecx 80483c2: e8 1d ff ff ff call 80482e4 <atoi@plt> 80483c7: 83 c4 10 add $0x10,%esp // Test the value 80483ca: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax // -------------------------------------------------------- // If 'a' equal to 2 (which is unlikely), then jump, // otherwise continue directly, without jump, so that it // doesn't flush the pipeline. // -------------------------------------------------------- 80483cd: 74 12 je 80483e1 <main+0x31> 80483cf: 48 dec %eax // Call printf 80483d0: 52 push %edx 80483d1: 52 push %edx 80483d2: 50 push %eax 80483d3: 68 c8 84 04 08 push $0x80484c8 80483d8: e8 f7 fe ff ff call 80482d4 <printf@plt> // Return 0 and go out. 80483dd: 31 c0 xor %eax,%eax 80483df: c9 leave 80483e0: c3 ret
이것도 원본 URL 에서 붙여 넣은 것인데, 직접 해보니 조금 짤린 부분이 있는 것으로 보인다. a == 2가 같은 것이 참이라면 0x80483e1 으로 jump 를 하게 되는데 jump 되는 주소의 instruction 이 복사가 안된 듯 하다. 거기에 mov command 로 a++ 인 "3"을 직접 넣어주고 printf 를 호출해야 하니, 80483d0의 주소로 바로 jump 하는 instruction 이 있을 것이다.
주석에서 보듯이, unlikely() 의 경우 a의 값과 2가 같지 않는것이 대부분이라고 해준것이다. 만약 2와 같지 않으면 jmp instruction 을 수행하지 않고 pipeline flush 가 일어나지 않도록 하여 성능 향상을 주는 것이다.
반대로 likely() 로 변경하여 진행해보자.
컴파일을 다시 하고, objdump 로 disassem 해보면,
080483b0 <main>: // Prologue 80483b0: 55 push %ebp 80483b1: 89 e5 mov %esp,%ebp 80483b3: 50 push %eax 80483b4: 50 push %eax 80483b5: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp // Call atoi() 80483b8: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax 80483bb: 83 ec 1c sub $0x1c,%esp 80483be: 8b 48 04 mov 0x4(%eax),%ecx 80483c1: 51 push %ecx 80483c2: e8 1d ff ff ff call 80482e4 <atoi@plt> 80483c7: 83 c4 10 add $0x10,%esp // -------------------------------------------------- // If 'a' equal 2 (which is likely), we will continue // without branching, so without flusing the pipeline. The // jump only occurs when a != 2, which is unlikely. // --------------------------------------------------- 80483ca: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax 80483cd: 75 13 jne 80483e2 <main+0x32> // Here the a++ incrementation has been optimized by gcc 80483cf: b0 03 mov $0x3,%al // Call printf() 80483d1: 52 push %edx 80483d2: 52 push %edx 80483d3: 50 push %eax 80483d4: 68 c8 84 04 08 push $0x80484c8 80483d9: e8 f6 fe ff ff call 80482d4 <printf@plt> // Return 0 and go out. 80483de: 31 c0 xor %eax,%eax 80483e0: c9 leave 80483e1: c3 ret
여기도 마지막 두 line 이 짤려져 있다. jne 로 jump 하게 되면 거기에 2 라는 값을 eax 에 넣어주고 printf 를 호출 하도록 하는 code일 것이다.
위에서 보듯이 likely() 로 하면 대부분 2와 같을 것이라고 컴파일러에게 알려줘서 최대한 jmp instruction 이 수행되지 않게 될 것이다.
이렇게 개발자가 예측할 수 있는 부분에 대해 거의 대부분이 x와 같을 것이다 혹은 다를 것이다라는 것을 컴파일러에게 알려주는 방식으로 적용하여 program을 만들 수 있을 것이다.
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