Makro Prediksi Cabang pada GCC dan Fungsinya

Salah satu teknik optimisasi yang sering digunakan pada kernel Linux adalah "_builtin_expect". Ketika dijalankan dengan kode kondisional (if-else statement), maka akan diketahui cabang mana yang benar dan cabang mana yang salah. Jika kompilator dapat mengetahui informasi ini pada tingkat lebih lanjut, maka hal ini dapat menghasilkan bentuk kode yang paling optimal.

Sebelum memahami lebih dalam materi tentang Makro Prediksi Cabang pada GCC dan Fungsinya, terlebih dahulu pelajari materi tentang: Makro Offset Bahasa C dan Fungsinya, Makro Multibaris Bahasa C dan Fungsinya, dan Variabel Panjang Argumen Untuk Makro Bahasa C.

Makro prediksi cabang pada GCC (GNU Compiler Collection) adalah fitur yang dirancang untuk mengoptimalkan performa eksekusi program dengan meminimalkan penalti akibat cabang bersyarat dalam kode. Cabang bersyarat, seperti instruksi if atau switch, dapat menyebabkan CPU mengalami ketidakpastian dalam eksekusi, yang mempengaruhi efisiensi alur kontrol program. Fitur makro prediksi cabang ini memungkinkan programmer untuk memberikan petunjuk kepada kompilator tentang kemungkinan hasil dari cabang-cabang tersebut, sehingga kompilator dapat menghasilkan kode yang lebih efisien.

Fungsi utama dari makro prediksi cabang adalah untuk meningkatkan kinerja program dengan mengarahkan kompilator pada hasil yang lebih mungkin dari cabang bersyarat. Dengan memberikan informasi tentang kemungkinan cabang yang lebih sering terjadi, kompilator dapat menyusun kode sedemikian rupa sehingga instruksi yang paling mungkin dijalankan dapat dieksekusi lebih cepat dan lebih efisien. Ini membantu mengurangi latensi yang timbul dari pergantian antara jalur eksekusi yang berbeda dan meningkatkan kecepatan eksekusi program secara keseluruhan.

Makro prediksi cabang juga membantu dalam mengoptimalkan penggunaan cache dan pipelining CPU. Dengan memprediksi jalur eksekusi yang lebih mungkin, kompilator dapat mengatur instruksi dalam urutan yang lebih menguntungkan, sehingga mengurangi cache misses dan memastikan bahwa pipeline CPU tetap penuh dengan instruksi yang relevan. Ini mengarah pada pemanfaatan sumber daya CPU yang lebih baik dan pengurangan waktu tunggu yang disebabkan oleh penyesuaian cabang.

Penggunaan makro prediksi cabang juga mendukung pengembangan kode yang lebih adaptif terhadap perubahan pola eksekusi. Jika pola eksekusi berubah selama fase pengembangan atau di berbagai lingkungan eksekusi, makro ini memungkinkan programmer untuk menyesuaikan prediksi cabang dengan lebih mudah, tanpa perlu mengubah logika kode secara keseluruhan. Ini memberikan fleksibilitas tambahan dalam mengelola performa aplikasi.

Namun, penting untuk menggunakan makro prediksi cabang dengan bijaksana, karena prediksi yang salah dapat berdampak negatif pada kinerja. Jika makro digunakan untuk memberikan informasi yang tidak akurat tentang pola eksekusi, ini dapat mengakibatkan penurunan performa, bukan peningkatan. Oleh karena itu, makro ini harus diterapkan berdasarkan pemahaman yang mendalam tentang pola eksekusi aplikasi dan hasil pengujian yang teliti.

Secara keseluruhan, makro prediksi cabang pada GCC adalah alat yang efektif untuk meningkatkan efisiensi eksekusi program dengan mengoptimalkan pengelolaan cabang bersyarat. Dengan menyediakan petunjuk kepada kompilator tentang kemungkinan hasil cabang, makro ini membantu meminimalkan penalti eksekusi dan meningkatkan kinerja aplikasi, membuatnya lebih responsif dan efisien.

Perhatikan definisi makro dari "likely()" dan "unlikely()" dari kode kernel linux “http://lxr.linux.no/linux+v3.6.5/include/linux/compiler.h”.

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) 

#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) 

Pada contoh berikut, kode program akan ditandai sebagai likely true:

const char *home_dir ; 

home_dir = getenv("HOME"); 

if (likely(home_dir)) 

printf("home directory: %s\n", home_dir); 

else

perror("getenv"); 

Pada contoh sebelumnya, kode program memiliki kodisional "IF" sebagai "likely()" true, sehingga kompilator akan menempatkan kode true secepatnya dan kode false setelahnya dalam instruksi cabang. Karena hal ini,  maka kompilator akan mecapai nilai optimalnya. Tetapi, jangan menggunakan "likely()" dan "unlikely()" makro secara sembarangan. Jika prediksi bernilai benar, maka artinya terdapat 0 siklus dari lompatan instruksi, tetapi jika prediksi bernilai salah, maka akan mengembalikan beberapa siklus, karena preprosesor dibutuhkan untuk melewatkan alirannya, dimana kondisi terburuk yang dapat terjadi adalah kompilator tidak akan memiliki nilai yang dapat diperkirakan.

Baca Juga:

• 2 Perbedaan Utama #define dan const pada Bahasa C
• Perbedaan stdio.h dan stdlib.h pada Bahasa C
• Cara Sederhana Mencetak Nama Variabel pada Bahasa C
• 2 Cara Sederhana Pendefinisian Konstanta pada Bahasa C dan C++

'Akses memori' adalah operasi CPU yang paling lambat jika dibandingkan dengan jenis operasi CPU lainnya. Untuk menghindari batasan tersebut CPU menggunakan "CPU caches" atau L1-chache, L2-chache, dan lain sebagainya guna meningkatkan kecepatan akses dari CPU tersebut. Ide utama dari chache adalah mengkopi beberapa bagian dari memori ke dalam CPU itu sendiri. Sehingga, dapat dilakukan akses memori lebih cepat daripada memori yang pernaj dilakukan dengan metode sebelumnya. Namun terdapat masalah, dimana "chache memory" ukurannya terbatas, dan proses kopi data tidak dapat dilakukan pada semua ukuran memori tersebut. Sehingga, CPU hanya melakukan prediksi memori mana saja yang akan digunakan pada waktu dekat dan akan melakukan load memori menjadi CPU chache dan makro yang selanjutnya akan digunakan sebagai petunjuk untuk load memori pada cache CPU.

Makro prediksi cabang pada GCC tidak hanya berperan dalam meningkatkan kinerja program tetapi juga dalam mengatasi tantangan yang terkait dengan arsitektur modern CPU, yang seringkali melibatkan teknik pipelining dan eksekusi spekulatif. Arsitektur CPU saat ini dirancang untuk mengeksekusi instruksi secara bersamaan dan dalam urutan yang optimal. Namun, keputusan tentang jalur mana yang harus diambil dalam cabang bersyarat sering kali dapat memperkenalkan ketidakpastian, menyebabkan penundaan saat CPU harus menunggu untuk menentukan jalur yang benar.

Makro prediksi cabang memungkinkan programmer untuk memberikan informasi kepada kompilator mengenai kemungkinan hasil dari cabang tertentu, yang dapat mengurangi jumlah waktu CPU yang dihabiskan dalam ketidakpastian ini. Dengan informasi ini, kompilator dapat mengoptimalkan urutan instruksi untuk memastikan bahwa jalur yang paling mungkin diambil diproses lebih dahulu, mengurangi jumlah pemrosesan ulang dan memaksimalkan throughput eksekusi.

Selain itu, penggunaan makro prediksi cabang membantu dalam pengelolaan instruksi cache. CPU modern menggunakan cache untuk menyimpan instruksi dan data yang sering diakses agar bisa diambil dengan cepat. Jika pola cabang tidak diprediksi dengan benar, CPU mungkin mengalami cache misses, yang memperlambat akses data dan instruksi. Dengan memberikan petunjuk yang lebih akurat tentang kemungkinan hasil cabang, makro ini membantu dalam menempatkan instruksi dengan cara yang lebih sesuai dalam cache, meningkatkan efisiensi akses data.

Makro ini juga mendukung adaptasi terhadap berbagai jenis kode yang berbeda dan pola eksekusi yang bervariasi. Dalam aplikasi yang memiliki banyak cabang dengan probabilitas yang bervariasi, makro prediksi cabang memungkinkan kompilator untuk mengoptimalkan kode berdasarkan pola eksekusi yang umum, yang dapat berbeda antara aplikasi atau bahkan di antara fase pengujian yang berbeda.

Di samping manfaat performa, penggunaan makro prediksi cabang juga dapat meningkatkan efisiensi pemrograman dengan menyediakan alat yang lebih baik untuk menyesuaikan dan mengelola optimasi. Programmer dapat melakukan tuning kode berdasarkan umpan balik dari profil kinerja dan hasil pengujian, memungkinkan penyesuaian yang lebih presisi terhadap prediksi cabang dan, pada gilirannya, mengoptimalkan kode untuk kondisi spesifik aplikasi.

Namun, penting untuk diingat bahwa makro prediksi cabang harus digunakan dengan hati-hati. Informasi yang salah atau tidak akurat tentang pola cabang dapat menyebabkan kompilator menghasilkan kode yang kurang optimal atau bahkan menurunkan performa program. Oleh karena itu, penting untuk memverifikasi prediksi cabang melalui pengujian dan analisis kinerja yang menyeluruh.

Secara keseluruhan, makro prediksi cabang pada GCC adalah alat penting dalam pengembangan perangkat lunak yang membantu mengoptimalkan eksekusi kode dengan mengurangi latensi cabang dan meningkatkan penggunaan sumber daya CPU. Dengan memberikan informasi yang berguna kepada kompilator, makro ini mendukung pembuatan aplikasi yang lebih cepat dan lebih efisien, berkontribusi pada kinerja keseluruhan dan responsivitas sistem.

Referensi Tambahan:

• 3 Tugas Umum Cara Kerja Preprosesor pada Bahasa C
• 4 Tipe Utama Preprosesor Direktif Bahasa C dan C++
• Preprosesor Direktif Bahasa C dan C++ Lanjutan
• Fungsi Sederhana Library Isgraph pada Bahasa C
• 3 Contoh Sederhana Cara Membuat File Header pada Bahasa C
• Penjelasan Singkat, Fungsi Library Difftime pada Bahasa C
• Penjelasan Singkat, Fungsi Tmpnam pada Bahasa C

Artikel ini didedikasikan kepada: Ajeng Nur Fauziah, Ali Barokah, Ananda Fama Laudza Dwi Anjani, Anis Setyaningrum, dan Annas Bhakti Aditama.

Location: Semarang, Kota Semarang, Jawa Tengah, Indonesia

Berbagi :