Was sind die Vorteile der Speicherneuordnung für Prozessoren und Compiler?

Speicherneuordnung und ihre Vorteile für Prozessoren und Compiler

In Programmiersprachen wie Java ist die Reihenfolge, in der Speicheroperationen stattfinden, nicht klar definiert und kann je nach Anwendung variieren Prozessor und Compiler verwendet. Diese als Speicherneuordnung bekannte Variabilität kann zu Komplexitäten im Programmverhalten führen, insbesondere beim Umgang mit Multithread-Anwendungen. Allerdings bringt die Neuordnung des Speichers auch erhebliche Leistungsvorteile für Prozessoren und Compiler mit sich.

Wie die Neuordnung des Speichers Prozessoren hilft

Die Neuordnung des Speichers ermöglicht es Prozessoren, die Ausführung von Anweisungen zu optimieren, indem sie Lade- und Speichervorgänge neu anordnen. Dies ist insbesondere für Out-of-Order-Execution-Prozessoren von Vorteil, die die Leistung verbessern können, indem sie Anweisungen in einer Reihenfolge ausführen, die von ihrer ursprünglichen Reihenfolge abweicht.

Durch die Ermöglichung der StoreLoad-Neuordnung können Prozessoren die Latenz von Cache-Fehlern verbergen. Wenn eine Speicheranweisung in den Cache übertragen wird, wird sie für andere Kerne global sichtbar. Wenn jedoch ein nachfolgender Ladebefehl auf dieselben Daten zugreifen muss, muss er warten, bis der Speichervorgang abgeschlossen ist. Durch Neuordnung der Ladeanweisung vor dem Speichern kann der Prozessor die spekulative Ausführung fortsetzen. Wenn die Speicheranweisung keinen Cache-Fehler verursacht, kann die Ladeanweisung ohne Wartezeit abgeschlossen werden.

Wie die Neuordnung des Speichers Compilern hilft

Die Neuordnung des Speichers kommt auch Compilern zugute, da sie den Code aggressiver optimieren können. Da die Reihenfolge der Operationen nicht strikt durchgesetzt wird, können Compiler den Code neu anordnen, um Möglichkeiten zur Parallelisierung und anderen Optimierungen zu nutzen. Beispielsweise kann ein Compiler Vorgänge neu anordnen, um die Anzahl der Cache-Fehler zu reduzieren oder ähnliche Vorgänge für eine bessere Leistung zu gruppieren.

Schwache Speicherreihenfolge und Compiler-Optimierungen

Das Speichermodell von Java lässt absichtlich Schwachstellen zu Speicherordnung. Dies bedeutet, dass Hardwarearchitekturen, die keine starken Garantien für die Speicherreihenfolge bieten (wie ARM und PowerPC), zur Implementierung der Java Virtual Machine (JVM) verwendet werden können. Eine schwache Speicherreihenfolge ermöglicht es Compilern, Code aggressiver zu optimieren, indem unnötige Speicherbarrieren entfernt werden. Ohne eine schwache Speicherreihenfolge würden JVMs nach jedem Speichern und vor jedem Laden Speicherbarrieren erfordern, was sich erheblich auf die Leistung auswirken würde.

Zusätzliche Vorteile der Speicherneuordnung

Über die Möglichkeit hinaus, eine Ausführung außerhalb der Reihenfolge zu ermöglichen und Compiler-Optimierungen kann die Neuordnung des Speichers weitere Leistungsvorteile haben, wie zum Beispiel:

• Lastspekulation: Prozessoren können spekulativ Lasten vor ihren Abhängigkeiten ausführen, wodurch sie Latenzen vor Cache-Fehlern verbergen können.
• Speicherpufferung: Prozessoren Verwenden Sie Speicherpuffer, um Speicheranweisungen von Cache-Commits zu entkoppeln. Dadurch können Speicher spekulativ ausgeführt werden, was die Leistung von Anwendungen verbessert, die mehrere Schreibvorgänge in dieselbe Cache-Zeile ausführen.
• Reduzierte Synchronisierungskosten: Durch die Möglichkeit der Neuordnung des Speichers können Compiler die Verwendung von Synchronisierungsprimitiven im Code vermeiden das erfordert keine strenge Reihenfolge. Dies reduziert den Overhead und verbessert die Leistung.

Fazit

Speicherneuordnung ist eine wesentliche Technik zur Verbesserung der Leistung von Prozessoren und Compilern. Es kann zwar zu einer Komplexität des Programmverhaltens führen, bietet aber auch erhebliche Leistungsvorteile, indem es eine Ausführung außerhalb der Reihenfolge, spekulative Ladevorgänge und Compileroptimierungen ermöglicht. Das Verständnis der Mechanismen und Vorteile der Speicherneuordnung ist entscheidend für die Optimierung der Leistung paralleler und Multithread-Anwendungen.

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