Mengapa memperkenalkan instruksi MOV yang tidak berguna mempercepat loop ketat di perakitan x86_64?


222

Latar Belakang:

Sambil mengoptimalkan beberapa kode Pascal dengan bahasa assembly yang tertanam, saya melihat MOVinstruksi yang tidak perlu , dan menghapusnya.

Yang mengejutkan saya, menghapus instruksi yang tidak perlu menyebabkan program saya melambat .

Saya menemukan bahwa menambahkan MOVinstruksi yang sewenang-wenang dan tidak berguna meningkatkan kinerja lebih jauh.

Efeknya tidak menentu, dan perubahan berdasarkan urutan eksekusi: instruksi sampah yang sama dipindahkan ke atas atau ke bawah dengan satu baris menghasilkan pelambatan .

Saya mengerti bahwa CPU melakukan semua jenis optimasi dan perampingan, tetapi, ini lebih seperti ilmu hitam.

Data:

Versi kode saya secara kompilasi mengkompilasi tiga operasi sampah di tengah-tengah loop yang berjalan 2**20==1048576kali. (Program sekitarnya hanya menghitung hash SHA-256 ).

Hasil pada mesin saya yang agak lama (Intel (R) Core (TM) 2 CPU 6400 @ 2.13 GHz):

avg time (ms) with -dJUNKOPS: 1822.84 ms
avg time (ms) without:        1836.44 ms

Program dijalankan 25 kali dalam satu lingkaran, dengan urutan berjalan berubah secara acak setiap kali.

Kutipan:

{$asmmode intel}
procedure example_junkop_in_sha256;
  var s1, t2 : uint32;
  begin
    // Here are parts of the SHA-256 algorithm, in Pascal:
    // s0 {r10d} := ror(a, 2) xor ror(a, 13) xor ror(a, 22)
    // s1 {r11d} := ror(e, 6) xor ror(e, 11) xor ror(e, 25)
    // Here is how I translated them (side by side to show symmetry):
  asm
    MOV r8d, a                 ; MOV r9d, e
    ROR r8d, 2                 ; ROR r9d, 6
    MOV r10d, r8d              ; MOV r11d, r9d
    ROR r8d, 11    {13 total}  ; ROR r9d, 5     {11 total}
    XOR r10d, r8d              ; XOR r11d, r9d
    ROR r8d, 9     {22 total}  ; ROR r9d, 14    {25 total}
    XOR r10d, r8d              ; XOR r11d, r9d

    // Here is the extraneous operation that I removed, causing a speedup
    // s1 is the uint32 variable declared at the start of the Pascal code.
    //
    // I had cleaned up the code, so I no longer needed this variable, and 
    // could just leave the value sitting in the r11d register until I needed
    // it again later.
    //
    // Since copying to RAM seemed like a waste, I removed the instruction, 
    // only to discover that the code ran slower without it.
    {$IFDEF JUNKOPS}
    MOV s1,  r11d
    {$ENDIF}

    // The next part of the code just moves on to another part of SHA-256,
    // maj { r12d } := (a and b) xor (a and c) xor (b and c)
    mov r8d,  a
    mov r9d,  b
    mov r13d, r9d // Set aside a copy of b
    and r9d,  r8d

    mov r12d, c
    and r8d, r12d  { a and c }
    xor r9d, r8d

    and r12d, r13d { c and b }
    xor r12d, r9d

    // Copying the calculated value to the same s1 variable is another speedup.
    // As far as I can tell, it doesn't actually matter what register is copied,
    // but moving this line up or down makes a huge difference.
    {$IFDEF JUNKOPS}
    MOV s1,  r9d // after mov r12d, c
    {$ENDIF}

    // And here is where the two calculated values above are actually used:
    // T2 {r12d} := S0 {r10d} + Maj {r12d};
    ADD r12d, r10d
    MOV T2, r12d

  end
end;

Cobalah sendiri:

Kode ini online di GitHub jika Anda ingin mencobanya sendiri.

Pertanyaan saya:

  • Mengapa tidak berguna menyalin konten register ke RAM yang pernah meningkatkan kinerja?
  • Mengapa instruksi yang tidak berguna yang sama memberikan percepatan pada beberapa baris, dan perlambatan pada yang lain?
  • Apakah perilaku ini sesuatu yang dapat dieksploitasi dapat diprediksi oleh kompiler?

7
Ada segala macam instruksi 'tidak berguna' yang benar-benar dapat berfungsi untuk memutus rantai ketergantungan, menandai register fisik sebagai pensiunan, dll. Mengeksploitasi operasi ini membutuhkan pengetahuan tentang arsitektur mikro . Pertanyaan Anda harus memberikan urutan instruksi singkat sebagai contoh minimal, daripada mengarahkan orang ke github.
Brett Hale

1
@ BrettHale poin bagus, terima kasih. Saya menambahkan kutipan kode dengan beberapa komentar. Apakah menyalin nilai register untuk ram menandai register sebagai pensiun, bahkan jika nilai di dalamnya digunakan nanti?
tangentstorm

9
Bisakah Anda menempatkan standar deviasi pada rata-rata tersebut? Tidak ada indikasi aktual dalam posting ini bahwa ada perbedaan nyata.
dibintangi

2
Bisakah Anda mencoba menentukan waktu instruksi menggunakan instruksi rdtscp, dan memeriksa siklus jam untuk kedua versi?
jakobbotsch

2
Apakah bisa juga karena penyelarasan memori? Saya tidak melakukan matematika sendiri (malas: P) tetapi menambahkan beberapa instruksi boneka dapat menyebabkan kode Anda menjadi selaras memori ...
Lorenzo Dematté

Jawaban:


144

Penyebab peningkatan kecepatan yang paling mungkin adalah:

  • memasukkan MOV menggeser instruksi selanjutnya ke alamat memori yang berbeda
  • salah satu instruksi yang dipindahkan itu adalah cabang bersyarat yang penting
  • cabang itu diprediksi secara salah karena aliasing dalam tabel prediksi cabang
  • memindahkan cabang menghilangkan alias dan memungkinkan cabang diprediksi dengan benar

Core2 Anda tidak menyimpan catatan riwayat terpisah untuk setiap lompatan bersyarat. Alih-alih itu menyimpan sejarah bersama dari semua lompatan bersyarat. Salah satu kelemahan prediksi cabang global adalah bahwa sejarah diencerkan oleh informasi yang tidak relevan jika lompatan bersyarat yang berbeda tidak berkorelasi.

Tutorial prediksi cabang kecil ini menunjukkan cara kerja buffer prediksi cabang. Cache buffer diindeks oleh bagian bawah dari alamat instruksi cabang. Ini bekerja dengan baik kecuali dua cabang tidak berkorelasi penting berbagi bit yang lebih rendah yang sama. Dalam hal ini, Anda berakhir dengan alias yang menyebabkan banyak cabang salah duga (yang menghentikan jalur instruksi dan memperlambat program Anda).

Jika Anda ingin memahami bagaimana misprediksi cabang mempengaruhi kinerja, lihat jawaban yang sangat bagus ini: https://stackoverflow.com/a/11227902/1001643

Compiler biasanya tidak memiliki informasi yang cukup untuk mengetahui cabang mana yang akan alias dan apakah alias itu akan signifikan. Namun, informasi itu dapat ditentukan saat runtime dengan alat-alat seperti Cachegrind dan VTune .


2
Hmm. Ini kedengarannya menjanjikan. Satu-satunya cabang bersyarat dalam implementasi sha256 ini adalah pemeriksaan untuk akhir loop FOR. Pada saat itu, saya menandai revisi ini sebagai keanehan di git dan terus mengoptimalkan. Salah satu langkah saya selanjutnya adalah menulis ulang loop pascal FOR sendiri, yang pada saat itu instruksi tambahan ini tidak lagi memiliki efek positif. Mungkin kode bebas pascal yang dihasilkan lebih sulit untuk diprediksi oleh prosesor daripada penghitung sederhana yang saya gantikan.
tangentstorm

1
@tangentstorm Kedengarannya seperti ringkasan yang bagus. Tabel prediksi cabang tidak terlalu besar, jadi satu entri tabel mungkin merujuk lebih dari satu cabang. Ini dapat membuat beberapa prediksi tidak berguna. Masalahnya mudah diperbaiki jika salah satu cabang yang bertentangan pindah ke bagian lain dari tabel. Hampir setiap perubahan kecil dapat membuat ini terjadi :-)
Raymond Hettinger

1
Saya pikir ini adalah penjelasan paling masuk akal dari perilaku spesifik yang saya amati, jadi saya akan menandai ini sebagai jawabannya. Terima kasih. :)
tangentstorm

3
Ada diskusi yang sangat bagus tentang masalah serupa yang
dialami

3
Insign alignment penting untuk lebih dari sekedar target cabang. Bottlenecks decode adalah masalah besar untuk Core2 dan Nehalem: sering kali mengalami kesulitan menjaga unit eksekusi sibuk. Pengenalan Sandybridge tentang cache uop meningkatkan throughput frontend dalam jumlah besar. Menyelaraskan target cabang dilakukan karena masalah ini, tetapi ini memengaruhi semua kode.
Peter Cordes

80

Anda mungkin ingin membaca http://research.google.com/pubs/pub37077.html

TL; DR: memasukkan instruksi nop secara acak ke dalam program dapat dengan mudah meningkatkan kinerja sebesar 5% atau lebih, dan tidak, kompiler tidak dapat dengan mudah mengeksploitasinya. Ini biasanya kombinasi dari prediktor cabang dan perilaku cache, tetapi bisa juga menjadi mis. Kios stasiun reservasi (bahkan dalam kasus tidak ada rantai ketergantungan yang rusak atau sumber daya yang jelas langganan berlebihan).


1
Menarik. Tetapi apakah prosesor (atau FPC) cukup pintar untuk melihat bahwa menulis ke ram adalah NOP dalam kasus ini?
tangentstorm

8
Assembler tidak dioptimalkan.
Marco van de Voort

5
Compiler dapat mengeksploitasinya dengan melakukan optimasi yang luar biasa mahal seperti berulang kali membuat dan membuat profil dan kemudian memvariasikan output kompiler dengan simulasi annealing atau algoritma genetika. Saya sudah membaca tentang beberapa pekerjaan di daerah itu. Tetapi kita berbicara tentang kompilasi 100% CPU minimum 5-10 menit, dan optimasi yang dihasilkan mungkin akan menjadi model inti CPU dan bahkan revisi inti atau mikrokode.
AdamIerymenko

Saya tidak akan menyebutnya NOP acak, mereka menjelaskan mengapa NOP dapat memiliki efek positif pada kinerja (tl; dr: stackoverflow.com/a/5901856/357198 ) dan penyisipan acak NOP memang mengakibatkan penurunan kinerja. Yang menarik dari makalah ini adalah bahwa penghapusan NOP 'strategis' oleh GCC tidak berpengaruh pada kinerja secara keseluruhan!
PuercoPop

15

Saya percaya pada CPU modern instruksi perakitan, sementara menjadi lapisan terakhir yang terlihat oleh seorang programmer untuk memberikan instruksi eksekusi ke CPU, sebenarnya adalah beberapa lapisan dari eksekusi aktual oleh CPU.

CPU modern adalah hibrida RISC / CISC yang menerjemahkan instruksi CISC x86 ke dalam instruksi internal yang lebih banyak perilaku RISC. Selain itu ada analisis eksekusi out-of-order, prediktor cabang, "fusi op-mikro" Intel yang mencoba untuk mengelompokkan instruksi ke dalam sejumlah besar pekerjaan simultan (seperti titanic VLIW / Itanium ). Bahkan ada batas cache yang bisa membuat kode berjalan lebih cepat untuk dewa-tahu-mengapa jika lebih besar (mungkin cache controller menempatkannya lebih cerdas, atau menyimpannya lebih lama).

CISC selalu memiliki lapisan terjemahan assembly-to-microcode, tetapi intinya adalah bahwa dengan CPU modern, banyak hal yang jauh lebih rumit. Dengan semua transistor real estat tambahan di pabrik fabrikasi semikonduktor modern, CPU mungkin dapat menerapkan beberapa pendekatan pengoptimalan secara paralel dan kemudian memilih satu di akhir yang memberikan kecepatan terbaik. Instruksi tambahan mungkin bias CPU untuk menggunakan satu jalur optimasi yang lebih baik daripada yang lain.

Efek dari instruksi tambahan mungkin tergantung pada model / generasi / pabrikan CPU, dan sepertinya tidak dapat diprediksi. Mengoptimalkan bahasa rakitan dengan cara ini akan membutuhkan eksekusi terhadap banyak generasi arsitektur CPU, mungkin menggunakan jalur eksekusi khusus CPU, dan hanya akan diinginkan untuk bagian kode yang sangat sangat penting, meskipun jika Anda melakukan perakitan, Anda mungkin sudah tahu itu.


6
Jawaban Anda agak membingungkan. Di banyak tempat sepertinya Anda menebak, meskipun sebagian besar dari apa yang Anda katakan itu benar.
alcuadrado

2
Mungkin saya harus mengklarifikasi. Yang saya
pikir

3
menebak yang masuk akal dan dengan argumentasi yang baik benar-benar valid.
jturolla

7
Tidak ada yang benar-benar tahu pasti mengapa OP mengamati perilaku aneh ini, kecuali jika itu adalah insinyur di Intel yang memiliki akses ke peralatan diagnostik khusus. Jadi yang bisa dilakukan orang lain hanyalah menebak. Itu bukan kesalahan @ cowarldlydragon.
Alex D

2
Downvote; tidak satu pun dari apa yang Anda katakan menjelaskan perilaku yang dilihat OP. Jawaban Anda tidak berguna.
fuz

0

Mempersiapkan cache

Memindahkan operasi ke memori dapat menyiapkan cache dan membuat operasi pemindahan berikutnya lebih cepat. CPU biasanya memiliki dua unit muat dan satu unit toko. Unit muat dapat membaca dari memori menjadi register (satu baca per siklus), unit toko menyimpan dari register ke memori. Ada juga unit lain yang melakukan operasi antar register. Semua unit bekerja secara paralel. Jadi, pada setiap siklus, kami dapat melakukan beberapa operasi sekaligus, tetapi tidak lebih dari dua beban, satu toko, dan beberapa operasi register. Biasanya hingga 4 operasi sederhana dengan register biasa, hingga 3 operasi sederhana dengan register XMM / YMM dan 1-2 operasi kompleks dengan segala jenis register. Kode Anda memiliki banyak operasi dengan register, jadi satu operasi penyimpanan memori dummy gratis (karena ada lebih dari 4 operasi register), tetapi ia menyiapkan cache memori untuk operasi penyimpanan berikutnya. Untuk mengetahui cara kerja penyimpanan memori, silakan merujuk keManual Referensi Optimasi Arsitektur Intel 64 dan IA-32 .

Memutus ketergantungan salah

Meskipun ini tidak persis merujuk ke kasing Anda, tetapi kadang-kadang menggunakan operasi mov 32-bit di bawah prosesor 64-bit (seperti dalam kasing Anda) digunakan untuk menghapus bit yang lebih tinggi (32-63) dan memutus rantai ketergantungan.

Diketahui bahwa pada x86-64, menggunakan operan 32-bit membersihkan bit yang lebih tinggi dari register 64-bit. Mohon baca bagian yang relevan - 3.4.1.1 - dari Manual Pengembang Perangkat Lunak Arsitektur Intel® 64 dan IA-32 Volume 1 :

Operan 32-bit menghasilkan hasil 32-bit, nol-diperluas ke hasil 64-bit di register tujuan umum tujuan

Jadi, instruksi mov, yang mungkin tampak tidak berguna pada pandangan pertama, menghapus bit yang lebih tinggi dari register yang sesuai. Apa yang memberi kita? Ini memecah rantai ketergantungan dan memungkinkan instruksi untuk dieksekusi secara paralel, dalam urutan acak, oleh algoritma Out-of-Order diimplementasikan secara internal oleh CPU sejak Pentium Pro pada tahun 1995.

Kutipan dari Manual Referensi Optimasi Arsitektur Intel® 64 dan IA-32 , Bagian 3.5.1.8:

Urutan kode yang memodifikasi register parsial dapat mengalami beberapa keterlambatan dalam rantai ketergantungannya, tetapi dapat dihindari dengan menggunakan idiom pemutusan ketergantungan. Dalam prosesor yang didasarkan pada arsitektur mikro Intel Core, sejumlah instruksi dapat membantu menghapus ketergantungan eksekusi ketika perangkat lunak menggunakan instruksi ini untuk menghapus konten yang didaftarkan ke nol. Hentikan ketergantungan pada bagian register di antara instruksi dengan mengoperasikan register 32-bit alih-alih register parsial. Untuk gerakan, ini dapat dilakukan dengan gerakan 32-bit atau dengan menggunakan MOVZX.

Peraturan Coding Majelis / Kompiler 37. (dampak M, generalisasi MH) : Hentikan ketergantungan pada bagian register antara instruksi dengan mengoperasikan register 32-bit, bukan register parsial. Untuk gerakan, ini dapat dilakukan dengan gerakan 32-bit atau dengan menggunakan MOVZX.

MOVZX dan MOV dengan operan 32-bit untuk x64 adalah sama - mereka semua memutus rantai ketergantungan.

Itu sebabnya kode Anda dieksekusi lebih cepat. Jika tidak ada dependensi, CPU secara internal dapat mengganti nama register, meskipun pada pandangan pertama mungkin tampak bahwa instruksi kedua memodifikasi register yang digunakan oleh instruksi pertama, dan keduanya tidak dapat dieksekusi secara paralel. Tetapi karena mendaftar mengubah nama mereka bisa.

Pengubahan nama register adalah teknik yang digunakan secara internal oleh CPU yang menghilangkan ketergantungan data palsu yang timbul dari penggunaan kembali register dengan instruksi berturut-turut yang tidak memiliki ketergantungan data nyata di antara mereka.

Saya pikir Anda sekarang melihat bahwa itu terlalu jelas.


Ini semua benar, tetapi tidak ada hubungannya dengan kode yang disajikan dalam pertanyaan.
Cody Gray

@CodyGray - terima kasih atas tanggapan Anda. Saya telah mengedit balasan dan menambahkan bab tentang kasus ini - yang pindah ke memori yang dikelilingi oleh operasi register menyiapkan cache dan gratis karena unit toko tidak digunakan. Jadi operasi toko selanjutnya akan lebih cepat.
Maxim Masiutin

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.