About_builtin_exptect

Mon, 09 Dec 2024 14:51:14 +0000

Background

컴퓨터 구조를 배우면서, MIPS 아키텍쳐에 대해 공부하고 있다. MIPS의 경우, pipeline을 도입하고 branch prediction을 위해 여러 방법을 사용한다고 한다. 그 방법 중 static prediction의 방법으로 해당 branch가 거짓일 경우(즉, jump를 수행하지 않는 분기)로 예상하는 방법이 존재한다고 한다.

이 방법을 보고나서 gcc의 __builtin_expect나 C++20의 likely 및 unlikely attribute가 이러한 분기 예측을 기반으로 구성되어 있는 것이 아닌가하는 생각이 들었다. 따라서 이를 간단하게 분석해보고자 하였다.

__builtin_expect

GCC에서는 컴파일러에게 도움을 줄 수 있는 여러 builtin macro를 제공한다. 앞서 언급했듯, 그 중에는 __builtin_expect와 __builtin_expect_with_probability가 존재한다.

Example code & Opcodes

간단한 테스트를 위해 다음과 같은 코드를 -O3 옵션으로 컴파일했다.

c __builtin_expect(-,1).c


#include <stdio.h>

int main() {
  int c;
  scanf("%d", &c);
  if(__builtin_expect(c != 0, 1)) {
    puts("c != 0");
  } else {
    puts("c == 0");
  }
  return 0;
}

컴파일했을 때의 결과는 다음과 같다.

assembly When __builtin_expect(~, 1).asm


.text:00000000000010A0 ; int __fastcall main(int argc, const char **argv, const char **envp)
.text:00000000000010A0                 public main
.text:00000000000010A0 main            proc near               ; DATA XREF: _start+18↓o
.text:00000000000010A0
.text:00000000000010A0 var_14          = dword ptr -14h
.text:00000000000010A0 var_10          = qword ptr -10h
.text:00000000000010A0
.text:00000000000010A0 ; __unwind {
.text:00000000000010A0                 endbr64
.text:00000000000010A4                 sub     rsp, 18h
.text:00000000000010A8                 lea     rdi, unk_2004
.text:00000000000010AF                 mov     rax, fs:28h
.text:00000000000010B8                 mov     [rsp+18h+var_10], rax
.text:00000000000010BD                 xor     eax, eax
.text:00000000000010BF                 lea     rsi, [rsp+18h+var_14]
.text:00000000000010C4                 call    ___isoc99_scanf
.text:00000000000010C9                 mov     eax, [rsp+18h+var_14]
.text:00000000000010CD                 test    eax, eax
.text:00000000000010CF                 jz      short loc_10F4
.text:00000000000010D1                 lea     rdi, s          ; "c != 0"
.text:00000000000010D8                 call    _puts
.text:00000000000010DD
.text:00000000000010DD loc_10DD:                               ; CODE XREF: main+60↓j
.text:00000000000010DD                 mov     rax, [rsp+18h+var_10]
.text:00000000000010E2                 sub     rax, fs:28h
.text:00000000000010EB                 jnz     short loc_1102
.text:00000000000010ED                 xor     eax, eax
.text:00000000000010EF                 add     rsp, 18h
.text:00000000000010F3                 retn
.text:00000000000010F4 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:00000000000010F4
.text:00000000000010F4 loc_10F4:                               ; CODE XREF: main+2F↑j
.text:00000000000010F4                 lea     rdi, aC0_0      ; "c == 0"
.text:00000000000010FB                 call    _puts
.text:0000000000001100                 jmp     short loc_10DD
.text:0000000000001102 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:0000000000001102
.text:0000000000001102 loc_1102:                               ; CODE XREF: main+4B↑j
.text:0000000000001102                 call    ___stack_chk_fail
.text:0000000000001102 ; } // starts at 10A0
.text:0000000000001102 main            endp

그러면 다음 코드를 컴파일하면 어떻게 될까?

c __builtin_expect(-,0).c


#include <stdio.h>

int main() {
  int c;
  scanf("%d", &c);
  if(__builtin_expect(c != 0, 0)) {
    puts("c != 0");
  } else {
    puts("c == 0");
  }
  return 0;
}

다음과 같은 결과가 나온다.

assembly __builtin_expect(-,0).asm


.text:00000000000010A0 ; int __fastcall main(int argc, const char **argv, const char **envp)
.text:00000000000010A0                 public main
.text:00000000000010A0 main            proc near               ; DATA XREF: _start+18↓o
.text:00000000000010A0
.text:00000000000010A0 var_14          = dword ptr -14h
.text:00000000000010A0 var_10          = qword ptr -10h
.text:00000000000010A0
.text:00000000000010A0 ; __unwind {
.text:00000000000010A0                 endbr64
.text:00000000000010A4                 sub     rsp, 18h
.text:00000000000010A8                 lea     rdi, unk_2004
.text:00000000000010AF                 mov     rax, fs:28h
.text:00000000000010B8                 mov     [rsp+18h+var_10], rax
.text:00000000000010BD                 xor     eax, eax
.text:00000000000010BF                 lea     rsi, [rsp+18h+var_14]
.text:00000000000010C4                 call    ___isoc99_scanf
.text:00000000000010C9                 mov     eax, [rsp+18h+var_14]
.text:00000000000010CD                 test    eax, eax
.text:00000000000010CF                 jnz     short loc_10F4
.text:00000000000010D1                 lea     rdi, s          ; "c == 0"
.text:00000000000010D8                 call    _puts
.text:00000000000010DD
.text:00000000000010DD loc_10DD:                               ; CODE XREF: main+60↓j
.text:00000000000010DD                 mov     rax, [rsp+18h+var_10]
.text:00000000000010E2                 sub     rax, fs:28h
.text:00000000000010EB                 jnz     short loc_1102
.text:00000000000010ED                 xor     eax, eax
.text:00000000000010EF                 add     rsp, 18h
.text:00000000000010F3                 retn
.text:00000000000010F4 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:00000000000010F4
.text:00000000000010F4 loc_10F4:                               ; CODE XREF: main+2F↑j
.text:00000000000010F4                 lea     rdi, aC0_0      ; "c != 0"
.text:00000000000010FB                 call    _puts
.text:0000000000001100                 jmp     short loc_10DD
.text:0000000000001102 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:0000000000001102
.text:0000000000001102 loc_1102:                               ; CODE XREF: main+4B↑j
.text:0000000000001102                 call    ___stack_chk_fail
.text:0000000000001102 ; } // starts at 10A0
.text:0000000000001102 main            endp

Analysis the result

결과를 보면, __builtin_expect(c != 0, 1)를 사용했을 때는 jz로 분기를 하지 않으면 c != 0을 출력한다. 반면에 __builtin_expect(c != 0, 0)를 사용했을 때는 jz로 분기하지 않으면 c == 0이 출력된다.

즉, __builtin_expect를 통해 컴파일러에게 분기에 대한 예측을 제공하면 내가 예상한 대로 static branch prediction을 고려해서 실행될 것으로 예측될 블록은 점프를 하지 않고 실행할 수 있게 만든다.

Conclusion