x86 如何处理存储条件指令？

Question

我试图找出 x86 处理器在遇到存储条件指令时会做什么。例如，它是否会停止管道的前端并等待 ROB 缓冲区变空，然后再停止停止前端并执行 SC？基本上它会迫使处理器变得非投机性......

Answer 1

我猜您指的是

CMOVcc

说明。

我不了解较旧的 x86 处理器，但现代处理器（自从它们变得投机且无序）将条件存储实现为：

old value = mem[dest address]
if (condition) 
    mem[dest address] = new value
else
    mem[dest address] = old value

条件部分可以像这样在硬件中实现：

      cond
    |\ |
----| \|
new |  \
    |   |    dest
    |   |---------
    |   |     |
  __|  /      |
 |  | /       |
 |  |/        |
 |____________|

所以没有必要打破猜测。事实上，商店将会出现。该条件决定要写入的数据是旧值还是新值。

Answer 2

与 ARM 和许多其他 RISC 不同，x86 没有 加载链接/存储条件；从架构上来说，它有类似

lock add byte [rdi], 1

或

lock cmpxchg [rdi], ecx

的原子 RMW 之类的东西。有关语义和 CPU 架构的一些详细信息，请参阅 num++ 对于“int num”可以是原子的吗？。

另请参阅

x86 等效的 LWARX 和 STWCX - 任意原子 RMW 操作可以通过 与 CAS (lock cmpxchg

) 重试循环合成。与 LL/SC 不同，它容易受到 ABA 问题的影响，但 CAS 是为原子内容提供构建块的另一种主要方法。

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在 x86 现代 CPU 内部，这可能是通过运行一个也“锁定”该缓存行的加载 uop 来实现的。 （“缓存锁”不是武装监视器，以免以后的 SC 失败，而是阻止 MESI 响应，直到存储解锁，从而防止导致 SC 在 LL/SC 计算机上失败的情况。）

在 MESI 修改状态下对该行进行缓存锁定（而不是传统的总线锁定）取决于它是可缓存内存，并且对齐或至少不跨越缓存行边界进行分割。

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x86 的

cmov

 指令只有一种形式，带有寄存器目标，而不是内存。 

cmovcc reg, reg/mem

。即使有内存源，它也是无条件加载来提供 ALU 选择操作，因此即使条件为假，也会在错误地址上出现段错误。 （与 ARM 谓词指令不同，ARM 谓词指令在错误条件下会被 NOP 出。）

我猜你可能会说

lock cmpxchg [mem], reg

 是一个条件存储，但唯一可能的条件是内存的旧内容是否与 AL/AX/EAX/RAX 匹配。 

https://www.felixcloutier.com/x86/cmpxchg

rep stosb/w/d/q

也是一个条件存储，如果你安排RCX为0或1（例如xor ecx,ecx

/ set FLAGS /

setcc cl`）；微代码分支不是分支预测的，因此它与正常分支有点不同。

AVX

vmaskmovps

 或 AVX-512 屏蔽存储是真正的条件存储，基于屏蔽条件。我在 

cmov

 的另一个问答中的回答讨论了这些的条件负载等价物，以及 

cmov 不是条件负载，它是需要所有 3 个输入（标志和 2 个整数）的 ALU 选择。 除了 LL/SC 对的 SC 部分之外，条件存储在大多数 ISA 中很少见。 32 位 ARM 是一个例外。请参阅

为什么后来的 ARM 指令集中不存在条件执行指令？ 了解为什么 AArch64 放弃了它。

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AVX 和 AVX-512 屏蔽存储

不会导致管道停顿。请参阅 https://agner.org/optimize/ 和 https://uops.info/ 了解一些性能数据以及英特尔的优化手动的。它们抑制屏蔽元素上的错误。如果您在提交到 L1d 之前重新加载，则来自它们的存储转发可能会阻止该加载，但不会阻止整个管道。

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Intel APX

（高级性能扩展）为传统整数指令（如 sub）添加了 REX2 和 EVEX 前缀，以及

cmov

的一些新编码，这些编码实际上确实抑制了错误条件下的负载故障，以及条件存储版本。他们使用助记符

CFCMOVcc

，即有条件故障 CMOV。英特尔最终决定进行需要 64 位模式的扩展，使用通过删除 BCD 和其他操作码释放的一些编码空间。大概硬件处理类似于 AVX-512 屏蔽的条件加载/存储。

Answer 3

其他所有事情都是透明处理的，并且在很大程度上取决于您正在查看的处理器，因此您的问题没有通用答案。

如果您对解决停滞问题的方法感兴趣，您应该从

x86

上的维基百科页面开始（注册重命名以提及其中一个。只需丢弃未采用分支的结果即可）。