pause 指令与 rep;nop

rep;nop 指令是执行多个 nop 还是 1 个 nop? 本来，加上 rep 前缀是一直执行 rep 后的指令直到 ECX 中的值为 0 。在内核代码中，如在 spin_lock 的实现里，会看到 rep;nop 这样的语句，很容易想到会执行多个 nop 。但事实上它不是这样。看下面的演示程序： #include <stdio.h> #define nops(times) __asm__ __volatile__("rep;nop":"=c"(result):"c"(times)) #define movstr(src,des) __asm__ __volatile__( "cld\n\t" \ "rep;movsb" \ :"=c"(result) \ :"S"(src),"D"(des),"c"(times)) int main() { unsigned int times, result; char src[5] = {'a', 'b', 'c', 'd', 'e'}; char des[5]; int i; times = 5; result = 5; movstr(src,des); printf ("result = %d\n", result); for (i = 0; i < times; i++) printf ("%c ", des[i]); printf ("\n"); times = 5; nops(times); printf ("result = %d\n", result); return (0); } 运行输出： [beyes @SLinux C]$ ./rep result = 0 a b c d e result = 5 上面程序中， movstr() 宏用来演示一般的 rep 前缀的使用方式，这里用一段内联汇编将数组 src 中的 5 个字符都拷贝到 des 数组中去。刚开始时，result 变量的值为 5 。但在执行完 movstr() 后，它变为 0 ，这个值是通过 ecx 寄存器传递过去的，因为正是使用了 rep 前缀，到复制最后，ecx 的值就会减为 0 。接着，我们执行 nops() 宏。nops 宏就是用来测试 rep;nop 的，看 rep;nop 是不是会执行 5 次，如果是的话，那么 result 到最后会变为 0 ，但最终结果不是，而是 5 。由此可见，rep;nop 并不等同于执行了 5 个 nop 。那么 rep;nop 是什么呢？通过反汇编程序可以看到，rep;nop 被翻译成 pause 指令，且两者的指令码都是 f3 90 。那么 pause 指令是做什么的呢？这在 Intel 手册里有解释： PAUSE—Spin Loop Hint Description Improves the performance of spin-wait loops. When executing a “spin-wait loop,” a Pentium 4 processor suffers a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The processor uses this hint to bypass the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops. 提升 spin-wait loops(自旋锁循环等待)的性能。在执行一个 spin-wait loop 时，Pentium4 处理器会 遇到严重的性能损失.PAUSE 指令会向处理器提供一种提示：告诉处理器所执行的代码序列是一个 spin-wait loop。 处理器会根据这个提示而避开内存序列冲突(memory order violation)，也就是说对 spin-wait loop 不做缓存，不做指令 重新排序等动作。这样就可以大大的提高了处理器的性能。正是基于此，才建议在 spin-wait loops 中使用 pasuse 指令。 An additional function of the PAUSE instruction is to reduce the power consumed by a Pentium 4 processor while executing a spin loop. The Pentium 4 processor can execute a spin-wait loop extremely quickly, causing the processor to consume a lot of power while it waits for the resource it is spinning on to become available. Inserting a pause instruction in a spin-wait loop greatly reduces the processor’s power consumption. PAUSE指令的另外一个功能是让 Pentium4 处理器在执行 spin-wait loop 时可以减少电源的消耗。 在等待资源而执行自旋锁等待时，Pentium4 处理器以极快的速度执行自旋等待时，将会消耗很多电能， 但使用 pause 指令则可以极大的减少处理器的电能消耗。 This instruction was introduced in the Pentium 4 processors, but is backward compatible with all IA-32 processors. In earlier IA-32 processors, the PAUSE instruction operates like a NOP instruction. PAUSE 指令在 Pentium4 处理器中引入，但它也是向前兼容的。在早先的 IA-32 处理器里，PAUSE 指令实际上就相当于 NOP 指令。 The Pentium 4 processor implements the PAUSE instruction as a pre-defined delay. The delay is finite and can be zero for some processors. This instruction does not change the architectural state of the processor (that is, it performs essentially a delaying no-op operation). Pentium4 处理器以一种 预延迟(pre-defined delay)的技术来实现 PAUSE 指令。这种延迟也是有限度的，并且在一些处理器上是零延迟。该指令不会改变处理器的处理器的状态。 内核中的 rep_nop() 函数对 rep;nop 指令进行了包装： static inline void rep_nop(void) { __asm__ __volatile__("rep;nop": : :"memory"); } 使用 rep_nop() 函数在内核中亦有样例： static void delay_tsc(unsigned long loops) { unsigned long bclock, now; preempt_disable(); rdtscl(bclock); do { rep_nop(); rdtscl(now); } while ((now-bclock) < loops); preempt_enable(); }

上面函数，通过不断的读取 TSC 的值来比较是否已经达到要求的 loops 来延迟，在延迟的过程中不断的执行 rep_nop() 函数进行 pause 。