CMOV是如何提高CPU流水线性能的？

Question

我明白当一个分支很容易预测时，最好使用IF语句，因为该分支是完全自由的。我已经学到了如果该分支不容易预测，那么CMOV更好。然而，我不太明白这是如何实现的？

显然，问题域仍然是相同的-我们不知道要执行的下一条指令的地址吗？所以我不明白从流水线的最深处开始运行CMOV时，如何帮助指令提取器（在过去10个CPU周期）选择正确的路径并防止流水线停顿？

请问有人能帮我理解CMOV如何改善分支吗？

- user997112

---

可能是为什么条件移动不容易受到分支预测失败的影响？的重复问题。 - Pascal Cuoq

如果我们“不知道要执行的下一条指令的地址”怎么办？ 如果指令序列是 I1; CMOV; I3，那么指令I1，然后是CMOV，最后是I3被依次执行，总是按照这个顺序。跟在I1之后的是CMOV。跟在CMOV之后的是I3。 - Pascal Cuoq

一个指令长的分支是一个非常特殊的情况；它可以进行一些通用分支无法实现的优化。 - Seva Alekseyev

Pascal，那么这与IF语句有什么不同？我们知道两个分支的起始指令... - user997112

您可以将CMOV视为根本不是分支，而是一条指令，效果为Dest = (Dest AND NOT Condition) OR (Source AND Condition)，其中Source、Dest和Condition都是位。 - Seva Alekseyev

Seva的解释比任何一个答案都好得多。这是一种数据依赖，而不是控制依赖。它有3个输入（dest、src和flags），并产生一个输出（dest）。对于OOO流水线，它可以像adc一样精确追踪（adc也具有相同的三个输入和一个输出）。 - Peter Cordes

Answer 1

请问有人能帮我理解CMOV如何改善分支吗？

实际上，它并不是改善分支，而是消除分支。CMOV可以被视为两个指令的组合，即MOV和NOP。哪一个指令被执行取决于标志位。因此，在内部它看起来可能像这样：

if (cond) {
    mov dst, src
} else {
    nop
}

问题域仍然相同-我们不知道要执行的下一条指令的地址吗？

嗯，不是这样的。下一条指令总是跟随CMOV的指令，因此指令流水线不会被无效化和重新加载（忽略分支预测和其他优化）。它是一连续的宏操作码流。以下是一个简单的例子

if (ecx==5)
    eax = TRUE
else
    eax = FALSE

在基本汇编中：

cmp ecx,5      ; is ecx==5
jne unequal    ; what is the address of the next instruction? conditional branch
mov eax,TRUE   ; possibility one
jmp fin
unequal:       : possibility two
mov eax,FALSE
fin:
nop

使用CMOV

cmp ecx,5
mov eax, FALSE   ; mov doesn't affect flags
mov ebx, TRUE    ; because CMOV doesn't take immediate src operands, use EBX for alternative
cmove eax, ebx   ; executes as MOV if zero-flag is set, otherwise as NOP
nop              ; always the next instruction, no pipeline stall

在当前的CPU上是否值得使用？明确的答案是肯定的。根据我的经验和（当然）算法的不同，速度提升是显著的，值得付出努力。

- zx485

---

cmove不允许立即操作数。因此，您需要清除一个寄存器：mov ebx, TRUE然后cmove eax, ebx。 - Björn Lindqvist

没错。如果你没有多余的寄存器，可以使用变量像ddTRUE。 - zx485

或者，在这种特定情况下，使用sete。 - alecov

Answer 2

CMOV指令不直接控制程序流。它们是基于条件码执行的指令，用于计算结果，也就是被谓词化的指令。一些体系结构（如ARM）可以根据条件码谓词许多形式的指令，但x86只能使用"mov"，即有条件移动（CMOV）。这些指令需要解码并在执行时延迟以确定指令的结果。

另一方面，分支则是预测和实际导向指令执行的。分支预测器“向前看”，专门查找分支指令，并通过导向控制流来预测路径。类比铁路轨道上的人员会将铁轨向左或向右移动，以告诉列车该往哪里走。如果那个人选择了错误的方向，列车就必须停下来、倒车，然后再朝正确的方向行驶。浪费大量时间。

与此不同，CMOV并未引导流程。它们只是简单的指令，需要额外的时间（并创建附加依赖项），以根据条件码来确定移动的正确结果。类比列车不决定向左还是向右走，而是沿着一条不需要拐弯的直路前进，但速度较慢（显然更为复杂，但这是我现在想到的最好的比喻）。

CMOV曾经效率非常低（延迟很高），但现在已经得到改进，变得相当快，使它们更加实用和高性能。

希望这有所帮助。

- drivingon9

---

回答不错，不过我希望cmov的火车示例能够包括一些在铁路公司之间分配车厢的内容，其中一个最终会跌入深渊（显然还必须有一场屋顶格斗场景） - Leeor

从我的测试来看，在某些情况下，短跳（1-4条指令）会更快。 - BitBank