编译器完成的指令重排序与cpu完成的指令重新排序之间的关系是什么？

Question

好的，所以出于性能原因，编译器可以自由地重新排序代码片段。让我们假设一些代码片段，直接翻译成机器代码，没有应用优化，如下所示：

machine_instruction_1
machine_instruction_2
machine_instruction_3
machine_instruction_4
machine_instruction_5

但是，智能编译器决定原始顺序效率很低，并重新排序相同的代码，因此产生的机器指令的新顺序如下：

machine_instruction_5
machine_instruction_4
machine_instruction_3
machine_instruction_2
machine_instruction_1

到目前一切尚好。

这里是棘手的部分开始。得到的机器指令将由cpu执行，只要保持代码逻辑，cpu就可以自由地对它们进行重新洗牌。由于我们正在处理两个“层”的指令重新排序：

• 第一个原因是编译器的优化。
• 第二种，由于cpu的无序执行。

是什么使编译时指令重新排序相关呢？cpu所看到的只是一系列原始机器指令，没有显示编译器先前执行的任何优化。如果cpu引入了自己的“层”重排序，它为什么不使编译器设置的指令顺序失效呢？基本上，是什么迫使cpu尊重编译器优化？编译时重新排序和运行时重新排序如何“合作”，后者如何补充前者？

Answer 1

在考虑指令执行时，必须尊重的是程序的语义。任何命令都是正确的，只要这一点得到尊重。具体而言，这是由“依赖项”描述的，该“依赖关系”指示某些指令是否需要程序正确行为的给定顺序。例如，考虑以下程序

1 x <= y+3
2 z <= 2*x
3 w = 5*y
4 y = 2*a

指令1和2是依赖的。如果他们的相对排序被修改，程序就不符合程序员的要求，任何重新排序都是被禁止的。由于不同的原因，在y被1和3使用之前，4不能不变地执行。有不同的依赖关系，包括在考虑控制流时。

编译器和硬件试图重新排序程序，以提高其效率，同时尊重依赖性。事实上，它们的行动是相辅相成的。

编译器可以考虑比处理器更大的重组，并使用更复杂的启发式方法来实现。编译器可以对程序有一个大的视图，并重新排序大部分代码。理论上，如果不存在依赖关系冲突，并且编译器认为它可以改进程序的执行，则可以在1000的距离上替换一个指令。它可以完全重组代码，展开循环等。相反，处理器有一个相对有限的预取指令窗口，可以考虑重新排序，而任何重新排列只能涉及封闭指令，并且基于一个周期内可行的简单方法。

但是处理器有很大的优势。它可以对随机事件进行动态重新排序和响应。在给定的时间，它考虑可以执行哪些指令与依赖项和数据可用性有关，并相应地重新排序代码。这是基于动态依赖关系的，例如，如果由于缓存丢失而无法获得前一个依赖项指令的结果，它将执行其他尊重依赖项的指令。同一程序在相同输入数据下连续运行会导致不同的排序，这取决于分支错误预测、缓存丢失等。

因此，编译器和处理器之间没有竞争，而是高效的协作。