__builtin___clear_cache是如何工作的？

Question

在查看gcc文档时，我发现了内置函数__builtin___clear_cache。

— 内置函数：void __builtin___clear_cache (char *begin, char* end) 此函数用于清除处理器指令高速缓存中begin（含）和end（不含）之间的存储区域。某些目标需要在修改包含代码的内存后刷新指令高速缓存，以获得确定性行为。

如果目标不需要刷新指令高速缓存，则__builtin___clear_cache无效果。否则，将内联发出指令以清除指令高速缓存，或调用libgcc中的__clear_cache函数。

我觉得这很有趣，但也让人惊讶。在许多情况下，当前堆栈的大量指令存储在L1高速缓存（指令高速缓存）中。因此乍一看，这个内置函数似乎会显著破坏我们程序的流程，因为它会清除堆栈上的下一个指令。

这个指令是否还会重新填充在L1缓存中的堆栈部分呢？

这似乎不太可能。如果不会重新填充，则用户需要使用正确的begin和end参数，以避免破坏我们的进程。在实践中，人们该如何找到正确的begin和end参数呢？

- DevShark

---

你为什么要问这个问题？你的程序实际上在做什么？ - Basile Starynkevitch

栈上没有指令。 - molbdnilo

请注意，__builtin___clear_cache 不会擦除指令，它只是刷新/清空缓存，处理器会重新填充它。 - nos

问题不明确，提问者可能对缓存有一些误解。 - undefined

Answer 1

它只是在目标处理器上发出一些奇怪的机器指令（x86不需要这样做）。

把__builtin___clear_cache看作是一种“便携式”（适用于GCC和兼容编译器）清除指令缓存的方式（例如在某些JIT库中）。

在实践中，如何找到正确的起始位置和结束位置？

为了安全起见，我会在一些页面范围内使用它（例如使用sysconf(_SC_PAGESIZE)获得的...），通常是4K字节对齐的内存范围（4K字节的倍数）。否则，你需要一些特定于目标的技巧来找到缓存行宽度...

在Linux上，您可以读取/proc/cpuinfo并使用cache_alignment和cache_size行来获取更精确的缓存行大小和对齐方式。

顺便说一下，使用__builtin__clear_cache的代码很可能是（出于其他原因）针对特定的目标机器，因此它具有或知道一些机器参数（其中应包括缓存大小和对齐方式）。

- Basile Starynkevitch

---

原来在x86上需要使用__builtin___clear_cache作为编译器内存屏障，以使gcc意识到“死”存储实际上是在写入代码，并且需要在转换为函数指针之前发生。请参见https://codegolf.stackexchange.com/questions/160100/the-repetitive-byte-counter/160236#160236，了解我为什么编写了https://godbolt.org/g/pGXn3B，它重复M次的`dec eax然后附加一个ret。如果没有__builtin___clear_cache或类似于asm（"" :::“memory”）;的编译器内存屏障，则memset`将被优化掉，因此只是调用malloc返回而不进行存储。 - Peter Cordes

我认为__builtin___clear_cache应该只在你想要执行的确切字节范围上使用，这样它才能正常工作。如果它需要了解缓存行大小，它会自己计算出来，对吗？ - Peter Cordes

@PeterCordes 看起来这实际上与使用 malloc 分配内存有关，而不是与在 x86 上运行有关。特别是，如果我用 mmap(NULL, M+1, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0); 替换 malloc(M+1)，那么即使没有 __builtin___clear_cache，死代码优化也不会发生。 - Joseph Sible-Reinstate Monica

@Joseph 不行。Gcc 知道 malloc（私有内存，没有其他指针指向）。这使得它可以进行优化，如果使用 mmap 不能证明是安全的。但是偶然工作并不等于完全安全和正确。 - Peter Cordes

我不认为__builtin___clear_cache()具有内存屏障效果！这是不正确的。 - undefined

Answer 2

在x86上，__builtin___clear_cache()不起作用。

在aarch64上，__builtin___clear_cache()最终会被展开为对libgcc中的__aarch64_sync_cache_range()的函数调用。您可以查看下面的GCC代码以了解其实现方式。

https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libgcc/config/aarch64/sync-cache.c#L31

而对于Clang来说，它在这里：

https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/compiler-rt/lib/builtins/clear_cache.c#L123

- Changbin Du

---

在x86上，对__builtin___clear_cache的调用编译为零条汇编指令，但它确实可以防止死存储消除和类似的影响，这可能会导致正确性问题。（特别是如果您在堆栈上分配内存并且由于-zexecstack而可执行，因此GCC知道数组对此函数调用是私有的，并且您没有将指针传递到函数外部。）https://godbolt.org/z/5671x3MYn显示了一个在x86-64上没有`__builtin___clear_cache`的测试程序失败的示例。您的答案对AArch64有用，但对x86-64是错误的。 - undefined

请参阅从C执行二进制机器码和如何使C代码执行十六进制机器码？。 - undefined