jump label

什么是jump label

• 在通常情况下，我们会使用分支语句来决定是否执行某个事件，例如

  bool keyfalse;
  
  if (!key)
  	// do unlikely code
  else
  	// do likely code    

​ 上述分支判断语句通常会被编译为mov, test, je的指令组合

• 在linux kernel中，启用jump label后，这类分支语句可以改写为

  DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(key);
  
  if (static_branch_unlikely(&key))
          do unlikely code
  else
          do likely code

​ 分支判断语句会被编译为jmp 0指令，消除了比较指令和分支指令

jump label的由来

由上面可知，jump label会消除比较指令和分支指令，因此适用于对同一条件的分支语句较多的情况。在linux kernel中，有一典型例子：tracepoint。tracepoint通常由条件判断语句实现，在每个tracepoint检查全局变量。看起来此类语句对整个程序的性能影响很小，其实不然，因为tracepoint出现的频率较高，并且全局变量会影响cache命中率。为了尽可能减少由于过多的条件判断语句带来的性能影响，linux kernel 引入了jump label。

jump label的实现原理

基本原理

在linux kernel中实现了static key，利用code patch技术在运行时修改代码段的指令。

具体实现

在编译条件判断语句时，往代码段中patch一条no-op指令

• 禁用jump label

  bool setfsid = false;
  SYSCALL_DEFINE1(setfsgid, gid_t, gid)
  {
      if (setfsid) {
          pr_info("hello\n");
      }
      return __sys_setfsgid(gid);
  }

• 启用jump label

  DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(setfsid);
  
  SYSCALL_DEFINE1(setfsgid, gid_t, gid)
  {
      if (static_branch_unlikely(&setfsid)) { // static_branch_unlikely的意思是条件不会满足
          pr_info("hello\n");
      }
      return __sys_setfsgid(gid);
  }

​ 可以看出使用jump label后

​ 1、cmpb + je 两条指令被替换为了-> xchg一条指令，这就是code patch

​ 2、省去了8 + 2 - 2 = 8个字节

• 启用jump label，但是在分支语句中使用static_branch_likely时

  DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(setfsid);
  
  SYSCALL_DEFINE1(setfsgid, gid_t, gid)
  {
      if (static_branch_likely(&setfsid)) {
          pr_info("hello\n");
      }
      return __sys_setfsgid(gid);
  }

  

​ 可以看出，无论在分支语句中使用static_branch_unlikely还是static_branch_likely，编译出的对应指令段中，都未出现比较指令，要么是no-op指令(xchg)，要么是直接跳转指令(jmp)，因此都可以消除分支指令带来的性能影响。

性能

启用jump label后，如下两点有性能优化

• 指令数减少
• 分支指令减少

参考static key的官方文档，对于如下代码

SYSCALL_DEFINE0(getppid)
{
      int pid;

      if (static_branch_unlikely(&key))
              printk("I am the true branch\n");

      rcu_read_lock();
      pid = task_tgid_vnr(rcu_dereference(current->real_parent));
      rcu_read_unlock();

      return pid;
}

启用jump label后，即性能提升（我并不了解这里的benchmark）为

• 动态指令数减少了0.2%
• 分支指令数减少了0.7%
• 运行周期数减少了2.8%