CPU 为何非得要用乱序执行和预测执行呢？

[pq]

为了这两个”提高性能“的特性，CPU 还要集成专门的安全检查和调度单元，操作系统更是为此要设计好多复杂的安全组件，增加了大量的不安全因素，最终是否会得不偿失？如果改成传统的顺序执行，CPU 是否没必要进行代码的安全检查？操作系统的内核会不会要精简许多？

顺序执行的情况下，有没有其它办法提高执行效率？比如单纯提高频率？

[d4rkb1ue]

最直观的。因为代码本来就不是顺序的，会出现分支(判断，循环)。而现代处理器的流水线很长，因此也可以同时处理多条指令，来提升效率。 但是因为不是顺序的指令，不能因为一旦出现分叉整个处理器就停止，静待这个分叉解决，这太浪费资源了(分叉是很频繁地，if/for/while 有那么多)。所以需要 预测执行，如果分叉了，就把已经处理的数据抛弃。还有那么点概率没分叉，那就赚了。
乱序执行的一个目的也是为了解决冲突，提升利用率。想想这样的一个场景，一个 10 万次循环为一个数据加一，然后另一个 10 万个循环为另一个数据加一。因为在循环里每个数据都是在上一个数据得出之后再修改的，所以必须顺序执行，等待上一个执行完毕再执行下一个。那么这 20 万个操作全都是串行的，先循环 10 万，再循环另一个 10 万。如果可以乱序，这两个循环互不干涉，那么就可以在每个 cycle 里乱序、同时执行 2 个循环中的一步。这样就节约了一半的时间。(这只是个例子，展现乱序执行的意义)。
纯顺序执行，要么提升频率，要么延长流水线，但是问题在于，没有纯顺序执行的场景啊。什么代码里完全没有分支？

[hadoop]

计算机体系结构研究了这么多年的流水线，超标量，多发射，乱序执行，都是为了性能啊

[breeswish]

楼主可以学习一下「计算机组成原理」

[pq]

@d4rkb1ue 哦，我把我说的“顺序执行”定义为“以指令序列来执行”，分支与循环，也是一种序列。

我不是专业人士，但你这么一解释，我倒是理解了乱序执行与预测执行的必要性了。但我觉得，具有这两种特性的 CPU，很难做到绝对的安全，知乎上看了些牛人的分析，觉得要完全杜绝普通应用非授权地访问敏感数据，非常困难，毕竟道高一尺，魔高一丈，黑客们总能找到办法的。

[Shura]

都是为了提高 CPU 利用率，准确的说是提供 ALU 的利用率。

[zn]

楼主可能以为现代 CPU 就像是个考 60 分万岁多一份浪费的大学生，这道题不做换一道也能考达到及格线。
但实情是：现代的 CPU，要想在激烈的商业竞争中能活下来的，你必须得考 95、96、97 分，在这种情况下，再往上提高一分都是很困难的，所以任何一中能提高性能的技巧基本都用上了。当然你可以不用，但是如果你不用那你很可能会落后于竞争对手，如果然后你就快 over 了。就算没 over 也只能靠低价捡剩饭吃。

[linboki]

想的太多，知道的太少——自寻烦恼

[wdlth]

先不说 CPU 里面，连编译器都会预测代码里面的分支、循环等情况，在有限的资源下提高性能。

[wwqgtxx]

打个不太恰当的比喻，就好比投资是有风险的，需要你猜测风险来判断下一步的操作，那么只要是猜测就肯定还是有错误的，就肯定会存在亏损，所以为了安全大家就把钱存在自己家保险柜不就安全了么

[kindjeff]

@zn 如果你这个比喻是对的，是不是可以说 Intel 靠作弊赢了 AMD 这么久

[est]

AMD 当年主频打到了 4G，依然被 Intel 独步天下的 90% 缓存命中率按在地上摩擦。

[akira]

早期的时候，单纯提高频率确实是有效的，甚至有个著名的摩尔定律。
后面频率提不动了，就弄多核。
多核升不上去了，就来搞乱序了。
intel 也不想的啊，能怎么办，他们也很绝望啊。

[msg7086]

@kindjeff 如果你说的是 meltdown 的话，那只是 Intel 自己没发现的 feature。

[yksoft1]

性能和安全本来就是互相拮抗的一对啊。
你想想。去 TMD 什么内存保护，做一个 64 位长模式、单用户单任务的超级 DOS，岂不是效率最高，啥都不用管

[zn]

@kindjeff 这不是作弊，毕竟作弊是没法每次都做到比第一名还高分的。这次 AMD 受影响比 Intel 小只是因为 AMD 的架构不一样，恰好就躲开了这种攻击。而 AMD 一直打不过 Intel 只能说明 AMD 技不如人，综合比分比 Intel 低。

[suspended]

Intel 预测执行策略太激进了，你看 AMD 就没受到 Meltdown 的影响，或者影响很小，没有可靠 PoC。

[xieyudi1990]

@akira 60 年代就有乱序的 CPU 了。

PC 的话第一个乱序的应该是 95 年的 Pentium Pro，单 CPU 多核应该是 05 年的 Pentium D。所以至少 PC 是是先乱序，再多核。

@yksoft1 一直觉得安全这东西就很扯。CPU 从 archtecture，design，verification 到 bios，os，user code 耗费这么多精力搞的东西，到头来还是被轻易破开。感觉就是一些人拍脑袋弄的一套安全系统忽悠公司，公司拿出去忽悠用户。给一堆不管软件的设计验证，然后卖给不管硬件的半懂不懂地拿过来用。哪天出来一个从 silicon 到 os 整个 flow 都懂的，就被轻易破解。

每次看到 cpu rtl 里那些为了安全加的一堆逻辑就很烦。没办法，除非人类补完计划成真。