linux内核中的likely()和unlikely()宏的作用

在看linux内核代码的时候，经常会看到likely(x)和unlikely(x)宏的使用。那这两个宏有什么作用呢？
这两个宏在内核中的定义如下：
# define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
# define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
可见这里使用了gcc的内建函数__builtin_expect()。

__builtin_expect (long exp, long c)函数：
该函数用来引导gcc进行条件分支预测。在一条指令执行时，由于流水线的作用，CPU可以同时完成下一条指令的取指，这样可以提高CPU的利用率。在执行条件分支指令时，CPU也会预取下一条执行，但是如果条件分支的结果为跳转到了其他指令，那CPU预取的下一条指令就没用了，这样就降低了流水线的效率。
另外，跳转指令相对于顺序执行的指令会多消耗CPU时间，如果可以尽可能不执行跳转，也可以提高CPU性能。

使用__builtin_expect (long exp, long c)函数可以帮助gcc优化程序编译后的指令序列，使汇编指令尽可能的顺序执行，从而提高CPU预取指令的正确率和执行效率。

__builtin_expect(exp, c)接受两个long型的参数，用来告诉gcc：exp==c的可能性比较大。
例如，__builtin_expect(exp, 1) 表示程序执行过程中，exp取到1的可能性比较大。该函数的返回值为exp自身。

内核中likely(x)和unlikely(x)宏：

知道__builtin_expect()函数的作用之后，我们就知道内核中likely(x)和unlikely(x)宏的作用了，通过likely(x)和unlikely(x)宏定义，我们可以得出他们的作用：
likely(x)等价于x，即if(likely(x))等价于if(x)，但是它告诉gcc，x取1的可能性比较大。
unlikely(x)等价于x，即if(unlikely(x))等价于if(x)，但是它告诉gcc，x取0的可能性比较大。

程序示例：
我们可以写一个简单的应用程序，看看__builtin_expect()函数的作用：
写一个函数testfunc()：

int testfunc(int x)
{
	if (__builtin_expect(!!(x), 1)) ///
	{
		x = 123;
	}
	else
	{
		x = 456;
	}
	
	return x;
}

这个函数中指明了 if条件成立的可能性比较大，gcc可以据此优化程序指令序列。
在main()函数中调用该函数，编译程序（使用-O3选项），查看反汇编后的汇编代码：

00400780 :
  400780: 10800003 beqz a0,400790 
  400784: 2402007b li v0,123
  400788: 03e00008 jr ra
  40078c: 00000000 nop
  400790: 03e00008 jr ra
  400794: 240201c8 li v0,456

从汇编代码中可以看出，如果if成立，即x==1，则第一条跳转指令不成功，指令得以顺序执行。而如果else成立，则需要多执行一次跳转。

如果testfunc()如下实现：

int testfunc(int x)
{
	if (__builtin_expect(!!(x), 0)) ///
	{
		x = 123;
	}
	else
	{
		x = 456;
	}
	
	return x;
}

这个函数中指明了 else条件成立的可能性比较大，gcc可以据此优化程序指令序列。
在main()函数中调用该函数，编译程序（使用-O3选项），查看反汇编后的汇编代码：

00400780 :
  400780: 14800002 bnez a0,40078c 
  400784: 2402007b li v0,123
  400788: 240201c8 li v0,456
  40078c: 03e00008 jr ra
  400790: 00000000 nop

从汇编代码中可以看出，如果else成立，即x==0，则第一条跳转指令不成功，指令得以顺序执行。 而如果if成立，则需要多执行一次跳转。

其他说明：

likely(x)宏传入__builtin_expect(!!(x), 0)的第一个参数为!!x，这样写是因为__builtin_expect的第一个参数需要为long型，而我们如果想传入指针或字符串类型，则需要使用!!x将x变成long型，例如，如果一个指针ptr==NULL，则!ptr=1，而!!ptr=0。

注意有些gcc版本没有实现__builtin_expect内建函数，所以这个函数不会起实际作用，相应的，likely(x)和unlikely(x)也就没有效果了。