嵌套逻辑中如何放置likely/unlikely语句以优化代码性能？

像Linux内核、DPDK这类对性能极度敏感的软件，会用C语言的likely()/unlikely()宏给编译器传递分支概率信息，辅助做分支预测优化。下面结合一段代码示例（已知a > b是极低概率的罕见场景），聊聊嵌套逻辑里这两个宏的最优用法。

示例代码 #

bool foo()
{
    foo1(1);
    foo2(2);

    /* if (unlikely(a > b)) */
    /* if (a > b)*/
    {
        puts("Ohhh!!! Rare case");
        return true;
    }
    return false;
}

int main(void)
{
    /* if (unlikely(foo())) */
    /* if (foo()) */
    {
        puts("Azaza");
    }
}

三种可选优化方案 #

方案1

if (unlikely(a > b))
...
if (unlikely(foo()))

方案2

if (a > b)
...
if (unlikely(foo()))

方案3

if (unlikely(a > b))
...
if (foo())

最优方案分析 #

方案1理论上效率最高，原因很直接：

1. 已知a > b是罕见事件，那foo()返回true的概率和a > b的概率完全一致——同样极低。
2. 在foo()内部给a > b加unlikely()：编译器会把这个罕见分支的代码（puts和return true）放到指令流的“冷区”，让大概率走的return false路径指令更连续，既减少指令缓存miss的概率，也能帮硬件分支预测器更精准地预判这个分支不会执行。
3. 在main()里给foo()加unlikely()：因为foo()返回true是极低概率事件，编译器会把puts("Azaza")的代码也放到冷区，让main()的主流路径（不执行该分支）的指令流更顺畅，避免分支预测失误带来的性能损耗。
4. 这两处优化是互补不冲突的：一个优化函数内的局部分支，一个优化跨函数的分支判断，结合起来能把分支预测的准确性和指令缓存的利用率拉到最高。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者NK-cell