Спекулятивное исполнение

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Спекулятивное выполнение — это метод оптимизации, при котором компьютерная система выполняет некоторую задачу, которая может оказаться ненужной. Работа выполняется до того, как станет известно, действительно ли она необходима, чтобы предотвратить задержку, которая может возникнуть при выполнении работы после того, как станет известно, что она необходима. Если выясняется, что работа в конце концов не нужна, большинство изменений, внесённых в работу, отменяется, а результаты игнорируются.

Цель состоит в том, чтобы предоставить больше параллелизма, если доступны дополнительные ресурсы[англ.]. Этот подход используется во множестве областей, включая предсказание ветвления в конвейерных процессорах, предсказание значения для использования локальности значения, предварительная выборка памяти и файлов и оптимистичное управление параллелизмом[англ.] в системах баз данных[1][2][3].

Спекулятивная многопоточность — это особый случай спекулятивного исполнения.

Обзор

Современные конвейерные микропроцессоры используют спекулятивное выполнение для снижения стоимости инструкций условного перехода с использованием схем, которые прогнозируют путь выполнения программы на основе истории выполнения переходов[2]. Чтобы улучшить производительность и использование компьютерных ресурсов, инструкции могут быть запланированы в то время, когда ещё не определено, что инструкции должны быть выполнены перед ветвлением[4][5].

Варианты

Спекулятивные вычисления были связаны с более ранней концепцией[6].

Нетерпеливое исполнение

См. также: Строгие вычисления

Нетерпеливое исполнение — это форма спекулятивного исполнения, при которой выполняются обе стороны условной ветви; однако результаты фиксируются только в том случае, если предикат истинен. При неограниченных ресурсах активное выполнение (также известное как выполнение оракула) теоретически обеспечит такую же производительность, как и идеальное предсказание ветвлений. При ограниченных ресурсах активное выполнение следует использовать осторожно, поскольку количество необходимых ресурсов растёт экспоненциально с каждым уровнем ветви, выполняемой с нетерпением[7].

Прогнозируемое исполнение

См. также: Вычислительный конвейер
Основная статья: Предсказатель переходов

Прогнозируемое исполнение — это форма спекулятивного исполнения, при которой предсказывается некоторый результат, и выполнение продолжается по предсказанному пути до тех пор, пока не станет известен фактический результат. Если прогноз верен, прогнозируемое выполнение разрешается зафиксировать; однако, если есть неверное предсказание, выполнение должно быть развёрнуто и выполнено повторно. Общие формы этого включают предсказатель ветвления и предсказание зависимости от памяти. Обобщённую форму иногда называют прогнозом стоимости[8].

Связанные понятия

Ленивое выполнение

Основная статья: Ленивые вычисления

Ленивое исполнение противоположно нетерпеливому исполнению и не предполагает спекуляций. Включение спекулятивного исполнения в реализации язык программирования Haskell, ленивого языка, является актуальной темой исследований. Нетерпеливый Haskell, вариант языка, основан на идее спекулятивного исполнения. В докторской диссертации 2003 года GHC сделана поддержка своего рода спекулятивного исполнения с механизмом отмены отказа в случае неудачного выбора, называемого оптимистическим исполнением[9]. Это сочли слишком сложным[10].

Уязвимости безопасности

Начиная с 2017 года, ряд уязвимостей безопасности был обнаружен в реализациях спекулятивного выполнения на общих архитектурах процессоров, что позволило повысить привилегии.

К ним относятся:

См. также

Примечания

  1. ↑ Ленивое и спекулятивное исполнение Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine Батлер Лэмпсон Microsoft Research OPODIS, Бордо, Франция 12 декабря 2006 года
  2. ↑ 1 2 Международная корпорация бизнес-машин. Исследовательский отдел, Прабхакар Рагхаван, Хадас Шахнаи, Мира Янив. Динамические схемы для спекулятивного исполнения кода. — IBM, 1998. Архивная копия от 27 ноября 2020 на Wayback Machine
  3. ↑ Х. Т. Кунг, Джон Т. Робинсон (Июнь 1981 года). "Об оптимистичных методах управления параллелизмом" (PDF). ACM-транзакции в системах баз данных. Vol. 6. Архивировано (PDF) 31 августа 2019. Дата обращения: 17 августа 2021. {{cite conference}}: Проверьте значение даты: |date= ()
  4. ↑ Бернд Криг-Брюкнер. ESOP '92: 4-й Европейский симпозиум по программированию, Ренн, Франция, 26-28 февраля 1992 года: доклады. — Springer, 1992. — P. 56–57. — ISBN 978-3-540-55253-6. Архивная копия от 12 июня 2014 на Wayback Machine
  5. ↑ (ESOP — сокращение от английского сочетания European Symposium On Programming, по-русски Европейский симпозиум по программированию)
  6. ↑ Рэнди Б. Осборн. Спекулятивные вычисления в Мультилисп // Параллельный Лисп: языки и системы (PS). Конспект лекций по информатике 441. — Исследовательская лаборатория Корпорация цифрового оборудования, 1990-03-21. — P. 103–137. — ISBN 3-540-52782-6. — doi:10.1007/BFb0024152.
  7. ↑ Юрий Шильц, Борут Робич, Тео Унгерер. Архитектура процессора: от потока данных до суперскаляра и дальше. — Springer, 1999. — P. 148–150. — ISBN 978-3-540-64798-0.
  8. ↑ Марк Д. Хилл, Норман П. Джуппи[англ.], Гуриндар С. Сохи. Чтения по компьютерной архитектуре. — Морган Кауфман, 2000. — ISBN 9781558605398. Архивная копия от 22 ноября 2020 на Wayback Machine
  9. ↑ Саймон Пейтон Джонс, Роберт Энналс (1 августа 2003 года). "Оптимистическая оценка: стратегия быстрой оценки для нестрогих программ". Архивировано 22 ноября 2020. Дата обращения: 15 мая 2019 — www.microsoft.com. {{cite journal}}: Проверьте значение даты: |date= (); Cite journal требует |journal= ()
  10. ↑ [1]Архивная копия от 22 ноября 2020 на Wayback Machine [Haskell] Optimistic Evaluation?