12-10-2023
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, отменяются, а результаты игнорируются.
Цель состоит в том, чтобы предоставить больше параллелизма, если доступны дополнительные ресурсы. 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 в системах баз данных[1][2][3].
Спекулятивная многопоточность — это особый случай спекулятивного исполнения.
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].
Спекулятивные вычисления были связаны с более ранней концепцией[6].
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 — 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].
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].
Начиная с 2017 года, ряд уязвимостей безопасности был обнаружен в реализациях спекулятивного выполнения на общих архитектурах процессоров, что позволило повысить привилегии.
К ним относятся:
Спекулятивное исполнение.