x86的cpu_relax解析

原文：http://blog.liuw.name/1024

核心執行的任務在很多情況下是不加鎖的，只是poll某個公有變數去保證同步。再深一步，即使是使用鎖，本質上也是一個poll某個公有變數的過程。這個poll的過程需要CPU一直迴圈等待。

要是讓我這個菜鳥來寫的話，迴圈體內大概是什麼都不會做的了，XD。而x86的核心中一般是調用cpu_relax()。這個函數又是何方神聖呢？

實際上，這個函數很簡單。

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#define cpu_relax() rep_nop()static always_inline void rep_nop(void){        asm volatile ( "rep;nop" : : : "memory" );}

自旋鎖裡面也有rep;nop這個語句。而我很蛋痛地在想，為什麼是rep;nop而不是nop;nop而不是nop;nop;nop…;nop，反正都是什麼都不做嘛，為什麼偏偏要選這個？眾所周知，在核心這個層次，基本上每一行代碼都是最優的，做出這樣的選擇必定事出有因。

rep;nop的機器碼是f3 90，其實就是pause指令的機器碼，相當於pause的一個“別名”，這是巧合嗎？pause指令又是幹什麼的呢？

從Intel的手冊裡面翻出來一段話：

Improves the performance of spin-wait loops. When executing a “spin-wait loop,” a Pentium 4 or Intel Xeon processor suffers a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The processor uses this hint to avoid the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops.

An additional fucntion of the PAUSE instruction is to reduce the power consumed by a Pentium 4 processor while executing a spin loop.
…

簡單點說，用pause可以提示CPU接下來的指令序列是用來自旋等待，就不用做memory reorder了，cache什麼的也不用廢掉了——要知道，cache是很寶貴的資源啊。這指令還有附送的功能——減少能耗。其實核心代碼最根本的要求就是：快，快，更加快，這條指令還有附送功能，所以何樂而不為呢？

那麼為什麼不直接寫pause而要寫rep;nop呢？理論上是等價的，但是實際上為什麼不這樣做，不好意思，不清楚。但是可以確定是的pause是Pentium 4才引入的，也許大家比較懷舊所以還用rep;nop也說不定。

So，以後寫應用程式而又蛋痛寫了迴圈等待的話，不妨也用用pause吧。不過我想會在應用程式中寫迴圈等待這麼傻的代碼的程式員，應該也想不到用pause去節能減排兼提速了吧，傷腦筋。