这次Google Project Zero引爆的深水炸弹，也意外的让“预测执行 (Speculative Execution)”、“非循序执行 (Out-Of-Order Execution)”和“分支预测 (Branch Prediction)”这些历史悠久的计算机结构专有名词，再度成为网络论坛的热门关键字。
为了方便各位科科瞬间理解上面三个名词的关系，请记得以下恒等式，不必谢我。
“预测执行 = 分支预测 + 非循序执行”，根据分支预测的结果，先斩后奏赌博性的执行指令，再借由非循序执行引擎维持指令执行顺序的一致性，与回复当预测错误时的处理器状态，各位只要知道这些就够了。
如果一时之间还搞不懂为何要这样作，请重新想清楚“电脑 (Computer)”和“计算器 (Calculator)”最大的不同之处：电脑最重要特征在于“条件判断”的能力，根据不同的条件，执行不同的指令流。
如果你不想看到整条指令管线，因为等待确认条件判断的结果而停摆，就需要设计一个纪录分支历史的小型快取内存，根据其内容“以古鉴今”去预测分支是否发生，或著发生后会跳到哪个内存位址，再继续撷取并预测性的执行指令。
分支预测当然也有可能发生错误，像循环 (Loop) 就是一例，反复发生 (Taken) 后，起码最后一次就不会发生 (Not Taken)，这也暗示了我们可以借由“训练”分支预测，使其错误地预测执行不应被执行的程式码。
既然系统权限已经受到重重保护，为何还会被“僭越”？
我们前面有看到处理器会有不同的程式执行权限与内存保护机制，但为何还会发生“下犯上”使用者模式可以读取到系统核心资讯的惨剧，原因很简单，因为预测执行“冲过头”了，将不应该被应用程序存取到的内存位置，跳过权限检查，被预先载入快取内存，即使此预测执行作废，该内存位址区段仍在快取内，此时此刻有心人就有上下其手的机会，例如可“旁敲侧击”观察内存存取的反应时间 (被快取到当然会更短)，判断这段内存位址是否属于系统核心。
事实上，近代高效能处理器的预测与非循序执行，并非仅限于指令，连内存存取这档事都可雨露均霑，不按牌理出牌，在x86世界源自于Intel Core微架构“Merom”的“内存资料相依性预测功能 (Memory Disambiguation)”即为最好的范例，根据预测，承受后面的内存载入指令、可能需要前面载入执行结果的相依性风险，不等待前面回存 (Store) 指令完成工作，大胆的提前载入 (Load) 内存位址，以确保指令管线不停顿的顺畅运转。
一图胜千言，直接引用Intel当年介绍Merom的简报。原本Load4要等待Store3完成。
▲有了内存资料相依性预测功能，不等Store3，Load4就赌下去了。当然，如果赌错了，后头要收拾残局的成本就非常的高，大约40个时脉周期就飞了，但看在赌对了就赚翻了的份上，硬著头皮还要给他赌下去。
▲有没有突然感觉到，这些处理器设计者好像都蛮“赌性坚强”？
很不幸的，Intel刚刚好就是这群赌徒中，特别敢冒险的那位 (Intel其实在微架构设计上一直蛮激进的)，有时候还真心觉得夜路走多了真的会碰到鬼，的确不是骗人的，Google Project Zero就活见“鬼”了。
成本高昂的分页表隔离
前一篇有提到透过分页表管理虚拟内存的配置，需要权限保护的操作系统核心，与一般使用者的应用程序，实际上是会有可能混在一起的。以32位元Linux为例，理论上应用程序可以看到4GB的虚拟位址，但其实最上面1GB的属于系统核心；32位元Windows也有类似的限制，1GB或2GB切给操作系统核心与驱动程式，所以应用程序只能使用到3GB或2GB。
简而言之，应用程序的确有机会利用某些漏洞，存取本应不该被允许的系统核心资讯。
那你也许会问：既然如此，为何我们不坚壁清野，维护两份独立的分页表，一份系统核心，一份使用者，不就功德圆满了？
但每次系统呼叫，都需要反复切换分页表并搬移大量的资料，尤其用来加速虚拟位址转换实体位址的TLB (Translation Lookaside Buffer) 会一直“上冲下洗 (Flush)”，等于每次系统呼叫都要重建快取资料，想闪也闪不开，导致严重的效能损失，这也是为何主流操作系统都将敏感的系统核心资讯，安置在虚拟位址的高位，并透过将程式码与资料“随机性”的散布其内，以避免当某个漏洞被发现时，被用来“一招半式打天下”，难以采用通用手段危害操作系统的强固性。
但很不幸的，Google Project Zero的研究成果，终究还是将操作系统厂商逼回成本高昂的“隔离”手段，最起码眼前的短期方案仅限于此，能否有更低成本的手段，还在未定之天。往好处想，无须系统呼叫的纯运算工作，效能应该不会受到什么影响，也许吧。
对x86处理器来说，问题就更大条了，两份独立的分页表，意味着避开昔日16位元时代遗产“节区 (Segment) 内存定址”的“平面 (Flat) 内存模式”就此破功，对于那些早已“放生”老旧内存定址模式效能的新型x86处理器微架构来说，实在是不堪回首的严酷考验，这就像一道旋转们，你越积极的抛弃遗产让微架构针对未来最佳化，你背后被老旧包袱狠狠集中的后座力也越大，所谓“牙膏挤了原来还能吸回去”，大概就是这么一回事。
