为什么CPU分支指令很慢？

Question

自从我开始编程以来，我已经在各个地方读过，不惜一切代价避免浪费分支。

这很好，虽然没有文章解释了为什么我应该这样做。当CPU解码分支指令并决定跳转时究竟发生了什么？什么是“东西”使其比其他指令（如添加）慢？

Answer 1

分支指令本来就不比其他任何指令慢。

但是，您听说分支机构应该避免的原因是因为现代CPU遵循pipeline architecture。这意味着有多个顺序指令被同时执行。但是如果流水线能够在每个周期读取内存中的下一条指令，则流水线只能被充分利用，这意味着它需要知道指令要读取的内容。

在有条件分支，它通常不会提前知道将采取哪条路径。所以当发生这种情况时，CPU必须停止，直到决策已经解决，并丢弃分支指令后面的管道中的所有内容。这降低了利用率，并因此降低了性能。

这就是存在branch prediction和branch delay slots之类的原因。

Answer 2

由于CPU采用流水线来执行指令，这意味着在某个阶段（例如，从寄存器读取值）执行前一条指令时，下一条指令将同时执行，而在另一个阶段例如解码阶段）。对于非控制指令是可以的，但是当执行如jmp或call的控制指令时，它会使事情变得复杂。

由于CPU不知道执行jmp指令时将执行的下一条指令是什么，它使用branch prediction技术来预测分支指令是否被采用（例如，循环片段中的分支指令可能需要指令流回到循环头）。

但是，如果这种预测失败，称为branch misprediction，则会影响执行性能。由于分支后的流水线必须被丢弃，并从正确的指令开始。

Answer 3

Oli给出了一个非常好的解释为什么分支很昂贵：流水线和分支预测。然而我想补充一点，你不应该关心这个问题，因为现代编译器会优化代码，而且一种优化会减少分支。

您可以在Microsoft编译器here中了解更多关于C++优化的信息 - 配置文件引导优化程序使用运行时信息（即代码的哪些部分最常用）来优化代码。加速度在20％的范围内。

一个操作的是“条件转移优化”，例如 - 假设大部分的时间我是6 - 这是更快：

if (i==6) 
{ 
    //... 
} 

else 
{ 
    switch (i) 
    { 
     case 1: // 
     case 2: // 
     //... 
    } 
} 

比：

switch (i) 
{ 
    case 1: // 
    //... 
    case 6: // 
    case 7: // 
} 

这里是一个其他优化的博客文章：http://bogdangavril.wordpress.com/2011/11/02/optimizating-your-native-program/