并指令渊

并指令之渊的入口是一道裂缝——不是门，是大地被某种力量撕开的伤口。裂缝深处，无数指令的光流像萤火虫一样涌动，有的并行飞舞，有的却被一条条冷铁锁链拴在一起，只能排队通过。

诺依曼老祖

「你在ch12学会了流水线——每个周期流过一条指令。但你看到了吗？那些没被锁链拴住的萤火，本可以一起飞。」

依赖之锁

「8条一起飞，8倍。你说是不是？」

裂缝深处是一座半成型的法阵——五级流水线的骨架还在，但只有一个发射口，每周期只放一条指令进来。诺依曼老祖递给你一组功能石。

诺依曼老祖

「你的ch12法阵只有一个门。现在，给它开四个门——每周期放四条指令进来。ALU、Load/Store、乘除法器、分支单元，各一块。」

依赖之锁

「四扇门开了。但它们排好队了吗？」

迷殿中央悬浮着一块巨型晶板——上面刻的不是单条指令，而是一个"指令束"：五条指令被编译器打包成一行的超长指令字，硬件只需照单全收。你看着那些整齐的指令束，觉得完美——直到你尝试编译一段含分支的循环。

依赖之锁

「编译器能看穿一切吗？它知道分支会走哪边吗？它知道Cache命中不命中吗？它知道两个指针是否同一地址吗？」

VLIW迷殿崩塌的碎石还未落定，裂缝深处又亮起一道光——那里没有编译器，没有指令束，只有一片混沌的指令流。指令萤火不再排队——它们各自查看自己的操作数，准备好了就飞向功能单元，不管程序里谁先谁后。

诺依曼老祖

「编译器站在编译时，看不见运行时。那谁站在运行时？——硬件自己。先就绪的先执行，后就绪的后执行。顺序乱了，但吞吐量涨了。」

你忽然发现一个问题：「如果第5条指令先执行完了，第3条还没开始，发生异常时怎么办？程序序在哪里？」

渊底出现一排石台——每个石台对应一个功能单元，石台上刻着"保留站"三个字。一条公共数据总线（CDB）从功能单元的出口延伸到所有保留站——结果算出来后，沿CDB广播到所有正在等它的保留站。

诺依曼老祖

「指令不能直接冲向功能单元——它得先在保留站等着。操作数齐了，就从保留站发射出去；没齐，就留在站里，不挡后面的路。候车室——操作数没到就坐着等，不站在门口挡路。」

依赖之锁

「保留站装得下多少？装不下的呢？」

重命名之镜悬浮在渊底中央，镜面映出无数寄存器的影子——但有些影子重名了。I1写R1，I5也写R1。它们写的不是同一个"东西"，只是碰巧叫同一个名字——这就是WAW假依赖。你伸手把镜中重名的R1影子分开，锁链断了。

依赖之锁

「你消掉了名字的冲突。很好。但我的锁链——从A的结果到B的输入——你消不掉。B需要A算出来的值。不是名字，是值。你能让B在A算完之前就知道结果吗？」

渊底浮起一个巨大的环形石盘——上面刻着一行行槽位，像一条首尾相连的传送带。指令按程序序进入槽位，乱序执行的结果暂存在各自的槽位里，但只有排到队首的才能"提交"——写回架构寄存器，对外可见。

诺依曼老祖

「异常发生时呢？冲刷——把ROB里未提交的条目全部清空。已提交的是精确状态，未提交的当没发生过。乱序执行是引擎，ROB是刹车——没有刹车的引擎不是高性能，是事故。」

渊壁上睁开了一只巨大的眼——瞳孔是分支指令，虹膜是两条分支路径。你让指令萤火飞过分支——它们带着"投机"标记飞入功能单元。结果暂存在ROB里，不提交，等分支结果出来。依赖之锁沉默地看着——这一次它没有嘲讽。它的锁链在分支处断开了，因为推测执行绕过了控制依赖。但它的沉默比嘲讽更不安。

诺依曼老祖

「ch12的流水线每个周期只流过一条指令，预测错了冲刷几拍。现在你的超标量每周期发射4条——预测错了冲刷的是4条的倍数。多发射对分支预测更敏感。」

渊底温度骤降。一面巨大的屏幕从黑暗中浮出——上面是一个密码数组的内存布局图。2018年1月，Google Project Zero和几支学术团队同时披露了Spectre和Meltdown。推测执行——你刚学会的性能利器——成了一个后门。攻击者把x设成越界值，指向内核密码的地址。推测执行越过边界检查，读出了密码的值。

诺依曼老祖

「那条投机指令最终被冲刷了——但array2中对应密码值的那一行被加载进了Cache。脚印留下来了。你用Flush+Reload侧信道测量访问时间，就能反推出密码。」

幽灵之祸的红色脉冲还未消退，全屏骤然压暗。冷铁锁链从四面八方涌来，编织成一张巨大的网——网上挂着你这一路留下的每一笔锁链账。锁链凝聚成人形——比S5那次更清晰，更庞大。它没有面孔，但你感觉到它在审视你。

依赖之锁

「我是依赖之锁。我不住在假依赖里——那些你用重命名消掉的，从来不是我的本体。我不住在控制依赖里——那些你用推测执行绕过的，只是我的影子。我住在真依赖里——B需要A算出来的值。三问。答错一题，锁链就紧一分。」

锁链散尽时，渊底亮了起来。你的本命发射器上还留着几道锁链的压痕——VLIW的nop空泡修了、假依赖消了、真依赖链接纳了、Spectre的脚印知道了。诺依曼老祖递给你一段循环代码：硬件做到极限了，但你看这段循环——如果展开4次呢？

诺依曼老祖

「软件流水线更精妙——不同迭代的指令交错排布，就像ch12的流水线让不同指令重叠一样。锁链还在，但被打散了。但——你有没有想过，ILP榨干了，下一个瓶颈在哪？指令再快，数据供不上怎么办？下一章，我们去看数据的家——存储器系统。」