分支预测会导致程序崩溃吗？

Question

在阅读名为计算机系统结构：程序员的视角的书籍第三章时，提到了这样一种实现：

testl %eax, %eax
cmovne (%eax), %edx

如果预测失败，那么“is invalid”就是无效的，因为我们将会遇到NULL引用错误。文中也指出我们应该使用分支代码。

不过，使用条件跳转难道不会导致相同的结果吗？例如：

.L1:
jmp *%eax

testl %eax, %eax
jne .L1

有没有可能欺骗gcc输出类似于x86-32的内容？假设我有一个指向函数的指针数组，其中一些是有效的，一些是无效的，我调用每个不为NULL的函数。

- Alex C

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我不会关闭它。对我来说，这听起来是一个有效的问题。不确定它为什么被认为是太广泛了。 - TomTom

我认为 CPU 架构需要处理这种情况，否则就不会剩下任何可工作的程序了。这仍然是一个有趣的问题。 - Mark Ransom

手册说明：只有在指令的实际“按顺序”执行之后，才会发出异常和中断信号。另请参见此问题。 - Jester

@AlexC：我认为链接的问题回答了你的确切关注点——你不会从推测执行中获得#PF异常，因为你不会从虚拟地址零获得4个字节，因为eax不是零。不，分支预测（推测执行）不会使你的程序崩溃。 - Michael Foukarakis

我记得有一个案例（Linux内核遇到的），其中gcc会优化掉空指针检查，如果指针先前已被解引用。我认为这是gcc利用C未定义行为进行空指针解引用，导致比鼻妖更糟糕但仍然不愉快的结果。 - user2467198

Answer 1

不应该能够检测到jmp指令的乱序操作获取，如果它是一次证明由于测试和跳转无效的推测执行的一部分。 cmove__指令被精确地记录为在内存访问操作数引起故障的情况下导致故障，即使条件未满足。 换句话说，这不是推测执行的一部分。 它是指令语义的一部分。 是目标的移动是有条件的，而不是获取。 jmp指令没有这样的记录。 我不明白你的示例代码的重点，因为对内存操作*％eax没有条件。 如果%eax包含零，则无条件执行jmp *％eax中的获取将导致故障。 这是正确的行为。 如果您测试%eax并绕过错误引用。

testl %eax, %eax
je .L1
jmp *%eax
.L1:

没有问题。除非猜测执行是有效的，即真正的控制路径，否则*%eax的猜测执行不会导致故障。这类似于错误操作码、除以零等情况的行为：正常程序语义不受猜测执行的影响。

在多处理中，乱序获取和存储确实会引起各种有趣的问题。本文及其前一期的第一部分是这个主题的很好讨论。

- Gene

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一个架构不保证顺序一致性时，不需要乱序执行就能出现内存一致性问题。缓存之间通信的延迟足以导致读写操作的顺序不一致。实际上，乱序执行被提出来是为了在顺序一致性下提供良好的性能（“Is SC + ILP = RC?”，Chris Gniady等人，1999年，PDF）。 - user2467198

@PaulA.Clayton 当然你是对的。我是从另一个角度来考虑的——它增加了一些复杂性，比如在实现无等待算法的正确性时。 - Gene

@Gene：我认为你说得对，我添加了无条件的跳转，因为有条件的跳转只能与标签一起使用。我在考虑一个情况，即%eax正在计算中，它可以是0或地址。也许我们可以改进问题，使其更清晰明了？ - Alex C