__builtin_expect函数

一、背景

在很多源码如Linux内核、Glib等,我们都能看到likely()和unlikely()这两个宏，通常定义如下

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

可以看出这2个宏都是使用函数 __builtin_expect()实现的, __builtin_expect()函数是GCC的一个内建函数(build-in function).

二、分析

你期望 exp 表达式的值等于常量 c, 看 c 的值, 如果 c 的值为0(即期望的函数返回值), 那么 执行 if 分支的的可能性小,如果为1，则执行if分支的可能性很大。

例子1 :由于期望 x == 0, 所以执行func()的可能性小，编译器优化直接执行else

if (__builtin_expect(x, 0))
{
　　func();
}else{　
　　//do someting
}

例子2 : 期望 ptr !=NULL这个条件成立(1), 所以执行func()的可能性小

if (__builtin_expect(ptr != NULL, 1))
{　　　
　　//do something
}
else{　
　　func();
}

更加常用的使用方法是将__builtin_expect指令封装为likely和unlikely宏：

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

首先,看第一个参数!!(x), 他的作用是把(x)转变成"布尔值", 无论(x)的值是多少 !(x)得到的是true或false, !!(x)就得到了原值的"布尔值"。也就是说，使用likely()，执行 if 后面的语句的机会更大，使用 unlikely()，执行 else 后面的语句的机会更大。

三、__builtin_expect函数的作用
为什么我们在代码中要使用__builtin_expect函数？它究竟有什么作用呢?

现在处理器都是流水线的，系统可以提前取多条指令进行并行处理，但遇到跳转时，则需要重新取指令，跳转指令打乱了CPU流水线。因此，跳转次数少的程序拥有更高的执行效率。

在C语言编程时，会不可避免地使用if-else分支语句，if else 句型编译后, 一个分支的汇编代码紧随前面的代码，而另一个分支的汇编代码需要使用JMP指令才能访问到。很明显通过JMP访问需要更多的时间, 在复杂的程序中,有很多的if else句型,又或者是一个有if else句型的库函数,每秒钟被调用几万次，通常程序员在分支预测方面做得很糟糕, 编译器又不能精准的预测每一个分支,这时JMP产生的时间浪费就会很大。

因此，引入__builtin_expect函数来增加条件分支预测的准确性，cpu 会提前装载后面的指令，遇到条件转移指令时会提前预测并装载某个分支的指令。编译器会产生相应的代码来优化 cpu 执行效率。GCC在编译过程中，会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, 达到优化程序的目的。