Linux 内核likely与unlikey

内核源码的时候经常可以看到likely()和unlikely()函数，这两个函数的作用是什么？-- 先得学一学GCC提供的内建函数！！

likely和unlikely内核中的定义

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

内建函数
GUN C语言提供了一系列内建函数以进行优化，这些内建函数以“_builtin”（build in function）作为前缀。

• __builtin_constant_p(x)
  判断x是否在编译时就可以被确定为常量，如果x为常量，那么返回1，否则返回0。

  #define udelay(n)							\
  	(__builtin_constant_p(n) ?					\
  	  ((n) > (MAX_UDELAY_MS * 1000) ? __bad_udelay() :		\
  			__const_udelay((n) * UDELAY_MULT)) :		\
  	  __udelay(n))
  

• __builtin_expect(exp, c)
  __builtin_expect的函数原型为long __builtin_expect (long exp, long c)， __builtin_expect (lexp, c)的返回值仍是exp值本身，并不会改变exp的值。

  这里的意思是exp==c的概率很大，用来引导GCC用来条件分支预测，开发人员最清楚最可能执行哪个分支，并将最有可能执行的分支告诉编译器，让编译器优化指令序列排序，使指令尽可能的顺序执行，从而提高CPU预取指令的正确性，提升CPU执行性能。

  # define likely(x)	__builtin_expect(!!(x), 1)	//x为真的可能性较大
  # define unlikely(x)	__builtin_expect(!!(x), 0)	//x为假的可能性较大
  

为什么要使用！！符号呢？
　　计算机中bool逻辑只有0和1，非0即是1，当likely(x)中参数不是逻辑值时，就可以使用！！符号转化为逻辑值1或0 。比如：！！（3）=！（！（3））=！0=1，这样就把参数3转化为逻辑1了。

1. 在执行条件分支指令时，CPU也会预取下一条指令执行，但是如果条件分支的结果为跳转到了其他指令，那CPU预取的下一条指令就没用了，这样就降低了流水线的效率。
2. 跳转指令相对于顺序执行的指令会多消耗CPU时间，如果可以尽可能不执行跳转，也可以提高CPU性能。

• likely使用实例

  static inline void native_set_ldt(const void *addr, unsigned int entries)
  {
  	if (likely(entries == 0))
  		asm volatile("lldt %w0"::"q" (0));
  	else {
  		unsigned cpu = smp_processor_id();
  		ldt_desc ldt;
  
  		set_tssldt_descriptor(&ldt, (unsigned long)addr, DESC_LDT,
  				      entries * LDT_ENTRY_SIZE - 1);
  		write_gdt_entry(get_cpu_gdt_rw(cpu), GDT_ENTRY_LDT,
  				&ldt, DESC_LDT);
  		asm volatile("lldt %w0"::"q" (GDT_ENTRY_LDT*8));
  	}
  }
  

  加likely的意思是变量entries的值为0的可能性较大，那么执行if的机会大，如果以上代码likely改为unlikely，则表示entries的值不为0的可能性大一些，执行else机会大一些，加上这种修饰，编译成二进制代码时likely使得if后面的执行语句紧跟着前面的程序，unlikely使得else后面的语句紧跟着前面的程序，这样就会被cache预读取，增加程序的执行速度。

• __builtin_prefetch(const void *addr, int rw, int locality)
  主动进行数据预取，在使用addr的值之前就把该值读到cache中，降低读取时延，从而提高性能。

  • addr
    要预取数据的地址
  • rw
    读写属性，1表示可写，0表示只读
  • locality
    数据在缓存中的时间局部属性，0表示读取完addr的值之后不用保留在缓存中，1~3表示时间局部属性逐渐增强

  // inlcude/linux/prefetch.h
  #ifndef ARCH_HAS_PREFETCH
  #define prefetch(x) __builtin_prefetch(x)
  #endif
  
  #ifndef ARCH_HAS_PREFETCHW
  #define prefetchw(x) __builtin_prefetch(x,1)
  #endif
  
  #ifndef ARCH_HAS_SPINLOCK_PREFETCH
  #define spin_lock_prefetch(x) prefetchw(x)
  #endif
  

• prefetch()使用实例

  void __free_pages_core(struct page *page, unsigned int order)
  {
  	unsigned int nr_pages = 1 << order;
  	struct page *p = page;
  	unsigned int loop;
  
  	/*
  	 * When initializing the memmap, __init_single_page() sets the refcount
  	 * of all pages to 1 ("allocated"/"not free"). We have to set the
  	 * refcount of all involved pages to 0.
  	 */
  	prefetchw(p);
  	for (loop = 0; loop < (nr_pages - 1); loop++, p++) {
  		prefetchw(p + 1);
  		__ClearPageReserved(p);
  		set_page_count(p, 0);
  	}
  	__ClearPageReserved(p);
  	set_page_count(p, 0);
  
  	atomic_long_add(nr_pages, &page_zone(page)->managed_pages);
  
  	/*
  	 * Bypass PCP and place fresh pages right to the tail, primarily
  	 * relevant for memory onlining.
  	 */
  	__free_pages_ok(page, order, FPI_TO_TAIL | FPI_SKIP_KASAN_POISON);
  }
  

  在处理page数据结构之前，可通过prefetchw()预取到缓存中，从而提升性能。