如何讓CPU執(zhí)行指令更快一點(diǎn)

高性能涉及的東西有很多，該怎么才能記住呢？

我覺(jué)得這是一個(gè)很有代表性的問(wèn)題，相信很多人都有類(lèi)似的困惑，所以決定寫(xiě)篇文章來(lái)好好聊聊這個(gè)問(wèn)題。

確實(shí)是這樣，當(dāng)初在準(zhǔn)備高性能相關(guān)的面試問(wèn)題時(shí)，也是同樣的感受，有好多東西啊，該想個(gè)什么辦法把它們都串起來(lái)呢？

計(jì)算機(jī)運(yùn)行的本質(zhì)，或者說(shuō)程序執(zhí)行的本質(zhì)，就是CPU不斷取出內(nèi)存中的指令，然后執(zhí)行它。

在這個(gè)過(guò)程中，CPU需要與內(nèi)存打交道，因?yàn)槌绦蛑噶钤谶@里面；還需要與硬盤(pán)、網(wǎng)卡等一些外部設(shè)備打交道，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)。

CPU、內(nèi)存、外部設(shè)備，這三個(gè)是計(jì)算機(jī)最主要的三個(gè)東西，所以我們?cè)谒伎几咝阅艿膯?wèn)題時(shí)，圍繞這三個(gè)東西，就可以把很多技術(shù)串起來(lái)。

1、讓CPU執(zhí)行指令更快一點(diǎn)

程序是CPU在執(zhí)行，最容易想到的當(dāng)然就是讓CPU跑的更快一些。這方面主要是涉及硬件技術(shù)，跟軟件關(guān)系不大。

比如提高CPU主頻、指令流水線技術(shù)、亂序執(zhí)行、分支預(yù)測(cè)等等。

2、使用緩存

程序運(yùn)行經(jīng)常需要讀取和加載數(shù)據(jù)，當(dāng)程序經(jīng)常需要從一個(gè)慢速設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時(shí)，性能勢(shì)必會(huì)受到影響。所以，可以先把數(shù)據(jù)緩存到一個(gè)能快速獲取的地方，加快數(shù)據(jù)加載速度，然后選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)來(lái)更新緩存中的數(shù)據(jù)。

緩存技術(shù)在計(jì)算機(jī)中無(wú)處不在，CPU中有存放數(shù)據(jù)和指令的一二三級(jí)緩存，還有存放內(nèi)存地址翻譯的TLB緩存。

操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)管理硬盤(pán)數(shù)據(jù)也使用了頁(yè)緩存Page Cache。

后端服務(wù)為了快速獲取數(shù)據(jù)，使用Redis/Memcache作為內(nèi)存數(shù)據(jù)緩存，避免每次都從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)。

瀏覽器中為了加快渲染速度，也有前端資源的緩存，避免每次都找網(wǎng)站服務(wù)器請(qǐng)求。

網(wǎng)站服務(wù)器為了提高響應(yīng)速度，也有CDN緩存。

3、減少CPU被打斷次數(shù)

CPU在運(yùn)行過(guò)程中不是一直埋頭執(zhí)行程序，它時(shí)不時(shí)的會(huì)被打斷，這就是中斷。

最典型的就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理，如果在很大網(wǎng)絡(luò)流量下，網(wǎng)卡每來(lái)一個(gè)數(shù)據(jù)包都通過(guò)中斷告訴CPU，那CPU一天別干活了，煩都要煩死了。

所以Linux內(nèi)核中的NAPI技術(shù)通過(guò)輪詢(xún)網(wǎng)卡，減少中斷次數(shù)就能顯著提高性能。

另外DMA技術(shù)通過(guò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ魍獍鋈ィ夥臗PU，也是這一思想的應(yīng)用。

4、減少內(nèi)存拷貝

很多時(shí)候，程序需要頻繁拷貝數(shù)據(jù)，但拷貝數(shù)據(jù)的過(guò)程時(shí)比較耗時(shí)的，如果能減少拷貝的次數(shù)，無(wú)疑會(huì)提高程序性能。

比如內(nèi)存映射、零拷貝技術(shù)就屬于這一類(lèi)技術(shù)。

另外高性能抓包技術(shù)DPDK，讓?xiě)?yīng)用程序直接讀取網(wǎng)卡，減少數(shù)據(jù)拷貝也是這種思想的體現(xiàn)。

5、并行與并發(fā)

這個(gè)思想很直接，一個(gè)人干活忙不過(guò)來(lái)，那就多找?guī)讉€(gè)人一起干。并行與并發(fā)的思想同樣在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域無(wú)處不在。

如CPU的多核技術(shù)，超線程技術(shù)、單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)SIMD等。

多線程技術(shù)、NUMA技術(shù)、多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡技術(shù)等。

后端服務(wù)開(kāi)發(fā)中的I/O多路復(fù)用技術(shù)（select/poll/epoll）。

6、減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)

前面提到多線程技術(shù)，而提到多線程就離不開(kāi)鎖。很多時(shí)候，線程在鎖的競(jìng)爭(zhēng)上浪費(fèi)了太多時(shí)間，上下文的切換這些都需要有開(kāi)銷(xiāo)。

所以減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)也是提高性能的一種方式，這方面的技術(shù)有原子操作、無(wú)鎖編程等。

7、資源池化技術(shù)

很多程序運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)就預(yù)先分配好資源，而不是在需要的時(shí)候才去分配，這也是一種提高性能的方法。最常見(jiàn)的有線程池、內(nèi)存池。

8、減少I(mǎi)/O次數(shù)

程序運(yùn)行的時(shí)候經(jīng)常要從硬盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)，而這類(lèi)操作是非常耗時(shí)的，如果能減少I(mǎi)/O的次數(shù)，合并I/O次數(shù)，對(duì)性能的提升將是巨大的。

體現(xiàn)這類(lèi)思想的技術(shù)有B+樹(shù)、SQL批量執(zhí)行等。

9、良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法

程序的靈魂是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，前面說(shuō)了那么多，即便都做到了，但如果你的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)的一塌糊涂那也是白搭。

良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法能夠從根本上解決高性能的問(wèn)題。

這方面思想的體現(xiàn)有哈希表、B+樹(shù)、跳表等。

總結(jié)

上面這幾個(gè)點(diǎn)不是孤立存在的，很多時(shí)候都是互相交織在一起的綜合應(yīng)用。比如零拷貝技術(shù)，既是減少內(nèi)存拷貝的思想，也是減少打擾CPU的思想。在I/O多路復(fù)用epoll中，既是并發(fā)思想體現(xiàn)，也有減少內(nèi)存拷貝思想的體現(xiàn)。

最后來(lái)總結(jié)一下，下次回答提高性能可以從四個(gè)增加、四個(gè)減少、一個(gè)良好來(lái)展開(kāi)：

增加CPU速度、增加緩存、增加并行度、增加資源池

減少內(nèi)存拷貝、減少I(mǎi)/O次數(shù)、減少CPU被打斷次數(shù)、減少鎖競(jìng)爭(zhēng)

良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法

高性能是一個(gè)廣泛的話題，這篇文章也不可能涵蓋所有，如果有遺漏的歡迎大家評(píng)論區(qū)補(bǔ)充交流。

編輯：黃飛

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