分支预测
分支预测
分支预测是一种用于计算机处理器中的技术，旨在改善指令流。它通过根据代码中条件分支的可能结果对要执行的指令进行有根据的猜测来工作。通过减少由分支指令引起的流水线停滞，分支预测有助于提高处理器的整体性能和效率。
分支预测的工作原理
分支预测算法分析以前分支的历史记录以预测未来分支的可能结果。需要注意的是，分支预测是一种复杂的机制，它根据具体的计算机架构和正在执行的分支指令类型而有所不同。但是，一般过程可以总结如下：
条件分支：在程序中，条件分支发生在执行路径取决于某个条件时，例如“if”语句或循环。这就像岔路口的分支路径，结果可以有两种或多种不同的走向。
分支历史表：为了进行预测，分支预测算法维护一个称为分支历史表的数据结构。该表记录着以前分支行为的信息。
进行预测：当遇到一个条件分支指令时，处理器中的分支预测单元会查询分支历史表，以确定是否存在类似分支模式的记录。基于记录的行为，它预测该分支是否会被采取。
推测执行：一旦做出预测，处理器开始执行它预测为下一个需要的指令，这被称为推测执行。处理器在假设预测结果会正确的基础上进行操作。
纠正错误：如果猜测正确，处理器通过不必等待正确指令的获取来节省时间。然而，如果猜测错误，处理器需要丢弃推测执行的指令结果并获取正确的指令。
通过优化条件分支的执行，分支预测技术帮助减少分支错误预测的影响，减少流水线停滞并提高指令吞吐量。
分支预测的类型
在现代处理器中使用了多种分支预测算法，每种算法都有其自身的优点和局限性。一些常用的技术包括：
静态分支预测：这种简单的分支预测形式假设分支方向在程序执行过程中不变。它依赖于启发式方法，例如预测向后分支将被采取，向前分支将不被采取。
动态分支预测：动态分支预测技术采用更复杂的算法，根据分支运行时行为调整预测。他们维护一个分支结果的历史记录，并利用此信息进行准确预测。一种常用的动态分支预测算法是两级自适应分支预测。
相关分支预测：相关分支预测技术考虑程序中多个分支之间的关系。它们使用过去分支结果的模式来预测未来分支的行为。
返回地址栈预测：返回地址栈预测是一种专门为函数返回指令设计的分支预测。它预测函数调用的返回地址以提高程序执行效率。
缓解安全风险
虽然分支预测本身不是安全威胁，但它已被利用为推测执行攻击的一部分，如Spectre和Meltdown。这些攻击绕过了不同内存区域之间的安全边界，可能访问敏感数据。
为了降低与推测执行攻击相关的风险，可以采取若干措施：
软件和固件更新：保持操作系统、编译器和固件的更新对于修补可能通过推测执行利用的漏洞至关重要。
微码更新：处理器制造商经常发布微码更新以解决漏洞并提高推测执行的安全性。
安全最佳实践：采用安全编码实践，遵循编码指南，并进行定期的代码审查可以帮助减少利用推测执行进行攻击的风险。重要的是坚持最小特权原则，并应用适当的权限和访问控制。
通过结合这些预防措施，软件和硬件研究人员努力提高计算机系统的安全性，防范推测执行攻击。
相关术语
推测执行：推测执行是处理器提前执行指令以提高性能的能力，基于预测。它允许处理器同时处理多个指令，提高整体吞吐量。
Spectre和Meltdown：Spectre和Meltdown是利用现代处理器中推测执行访问敏感数据的安全漏洞。这些漏洞影响了来自各个制造商的广泛处理器，需要软件和固件更新以减轻风险。