函数重排序

根据前面各节描述的原则,可以将热点函数分组,进一步提高 CPU 前端缓存的利用率。当热点函数被分组在一起时,它们开始共享缓存行,这减少了代码占用空间,即 CPU 需要获取的缓存行总数。

@fig:FunctionGrouping 给出了重新排列热点函数 foobarzoo 的图形表示。图像上的箭头显示了最频繁的调用模式,即 foo 调用 zoo,然后 zoo 调用 bar。在默认布局中(见图@fig:FuncGroup_default),热点函数不相邻,它们之间有一些冷函数。因此,两个函数调用的序列(foo -> zoo -> bar)需要读取四个缓存行。

我们可以重新排列函数的顺序,使得热点函数彼此靠近(见图@fig:FuncGroup_better)。在改进的版本中,foobarzoo 函数的代码适合于三个缓存行。另外,注意函数 zoo 现在根据函数调用的顺序被放置在 foobar 之间。当我们从 foo 调用 zoo 时,zoo 的开始已经在 I-cache 中。

![默认布局](https://raw.githubusercontent.com/dendibakh/perf-book/main/img/cpu_fe_opts/FunctionGrouping_Default.png)
![改进的布局](https://raw.githubusercontent.com/dendibakh/perf-book/main/img/cpu_fe_opts/FunctionGrouping_Better.png)

重新排列热点函数。 </div>

与之前的优化类似,函数重排序提高了 I-cache 和 DSB-cache 的利用率。当存在许多小型热点函数时,这种优化效果最佳。

链接器负责将程序的所有函数布局在生成的二进制输出中。虽然开发人员可以尝试自己重新排列程序中的函数,但不能保证所需的物理布局。几十年来,人们一直使用链接器脚本来实现这个目标。如果你使用的是 GNU 链接器,这仍然是一种行之有效的方法。Gold 链接器 (ld.gold) 对这个问题有了更简单的解决方案。要在 Gold 链接器中获得二进制文件中函数的所需顺序,可以首先使用 -ffunction-sections 标志编译代码,这会将每个函数放入一个单独的节中。然后使用 --section-ordering-file=order.txt 选项提供一个带有按所需最终布局排序的函数名称列表的文件。LLD 链接器也具有相同的特性,它是 LLVM 编译器基础设施的一部分,并通过 --symbol-ordering-file 选项访问。

解决将热点函数分组在一起的问题的一个有趣方法是由 Meta 的工程师在 2017 年引入的。他们实现了一个名为 HFSort 的工具1,它根据分析数据自动生成节顺序文件 [@HfSort]。使用这个工具,他们观察到大型分布式云应用程序,如 Facebook、百度和维基百科的性能提高了 2\%。HFSort 已经集成到了 Meta 的 HHVM、LLVM BOLT 和 LLD 链接器中2。从那时起,该算法首先被 HFSort+ 取代,最近又被 Cache-Directed Sort (CDSort3) 所取代,对于具有大型代码占用空间的工作负载带来了更多改进。

1. HFSort - https://github.com/facebook/hhvm/tree/master/hphp/tools/hfsort
2. LLD 中的 HFSort - https://github.com/llvm-project/lld/blob/master/ELF/CallGraphSort.cpp
3. LLVM 中的 Cache-Directed Sort - https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/llvm/lib/Transforms/Utils/CodeLayout.cpp

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