【轉】我是一個CPU：這個世界慢！死！了！

簡介

經常聽到有人說磁盤很慢、網路很卡，這都是站在人類的感知維度去表述的，比如拷貝一個檔案到硬碟需要幾分鐘到幾十分鐘，夠我去吃個飯啦；而從網路下載一部電影，有時候需要幾個小時，我都可以睡一覺了，

最為我們熟知的關于計算機不同組件速度差異的圖表，是下面這種金字塔形式：越往上速度越快，容量越小，而價格越高，這張圖只是給了我們一個直觀地感覺，并沒有對各個速度和性能做出量化的說明和解釋，而實際上，不同層級之間的差異要比這張圖大的多，這篇文章就讓你站在 CPU 的角度看這個世界，說說到底它們有多慢，

希望你看到看完這篇文章能明白兩件事情：磁盤和網路真的很慢，性能優化是個復雜的系統性的活，

tips： 所有的資料都是來自 這個地址，所有的資料會因為機器配置不同，或者硬體的更新而有出入，但是不影響我們直覺的感受，如果對這些資料比較感興趣，這個網址 給出了不同年份一些指標的數值，

資料

• 先來看看 CPU 的速度，就拿我的電腦來說，主頻是 2.6G，也就是說每秒可以執行 2.6*10^9 個指令，每個指令只需要 0.38ns（現在很多個人計算機的主頻要比這個高，配置比較高的能達到 3.0G+），我們把這個時間當做基本單位 1s，因為 1s 大概是人類能感知的最小時間單位，
  

• 一級快取讀取時間為 0.5ns，換算成人類時間大約是 1.3s，大約一次或者兩次心跳的時間，這里能看出快取的重要性，因為它的速度可以趕上 CPU，程式本身的 locality 特性加上指令層級上的優化，cache 訪問的命中率很高，這最終能極大提高效率，

• 分支預測錯誤需要耗時 5ns，換算成人類時間大約是 13s，這個就有點久了，所以你會看到很多文章分析如何優化代碼來降低分支預測的幾率，比如 這個得分非常高的 stackoverflow 問題，

• 二級快取時間就比較久了，大約在 7ns，換算成人類時間大約是 18.2s，可以看到的是如果一級快取沒有命中，然后去二級快取讀取資料，時間差了一個數量級，

tips： 為什么需要多層的 CPU 快取呢？ 這篇文章通過一個通俗易懂的例子給出了講解，

• 我們繼續，互斥鎖的加鎖和解鎖時間需要 25ns，換算成人類時間大約是 65s，首次達到了一分鐘，并發編程中，我們經常聽說鎖是一個很耗時的東西，因為在微波爐里加熱一個東西需要一分鐘的話，你要在那傻傻地等蠻久了，

• 然后就到了記憶體，每次記憶體尋址需要 100ns，換算成人類時間是 260s，也就是 4分多鐘，如果讀一些不需要太多思考的文章，這么久能讀完2-3千字，看起來還不算壞，不多要從記憶體中讀取一段資料需要的時間會更多，到了記憶體之后，時間就變了一個量級，CPU 和記憶體之間的速度瓶頸被稱為馮諾依曼瓶頸，

• 一次 CPU 背景關系切換（系統呼叫）需要大約 1500ns，也就是 1.5us（這個數字參考了這篇文章，采用的是單核 CPU 執行緒平均時間），換算成人類時間大約是 65分鐘，嗯，也就是一個小時，我們也知道背景關系切換是很耗時的行為，畢竟每次浪費一個小時，也很讓人有罪惡感的，背景關系切換更恐怖的事情在于，這段時間里 CPU 沒有做任何有用的計算，只是切換了兩個不同行程的暫存器和記憶體狀態；而且這個程序 還破壞了快取，讓后續的計算更加耗時，

• 在 1Gbps 的網路上傳輸 2K 的資料需要 20us，換算成人類時間是 14.4小時，這么久都能把《星球大戰》六部曲看完了（甚至還加上吃飯撒尿的時間）！可以看到網路上非常少資料傳輸對于 CPU 來說，已經很漫長，而且這里的時間還是理論最大值，實際程序還要更慢一些，

• SSD 隨機讀取耗時為 150us，換算成人類時間大約是 4.5天，換句話說，SSD 讀點資料，CPU 都能休假，報團參加周邊游了，雖然我們知道 SSD 要比機械硬碟快很多，但是這個速度對于 CPU 來說也是像烏龜一樣，I/O 設備從硬碟開始速度開始變得漫長，這個時候我們就想起記憶體的好處了，盡量減少 IO 設備的讀寫，把最常用的資料放到記憶體中作為快取是所有程式的通識，像 memcached 和 redis 這樣的高速快取系統近幾年的異軍突起，就是解決了這里的問題，

• 從記憶體中讀取 1MB 的連續資料，耗時大約為 250us，換算成人類時間是 7.5天，這次假期升級到國慶七天國外游了，

• 同一個資料中心網路上跑一個來回需要 0.5ms，換算成人類時間大約是 15天，也就是半個月的時間，如果你的程式有段代碼需要和資料中心的其他服務器互動，在這段時間里 CPU 都已經狂做了半個月的運算，減少不同服務組件的網路請求，是性能優化的一大課題，

• 從 SSD 讀取 1MB 的順序資料，大約需要 1ms，換算成人類時間是 1個月，也就是說 SSD 讀一個普通的檔案，如果要等你做完，CPU 一個月時間就荒廢了，盡管如此，SSD 已經很快啦，不信你看下面機械磁盤的表現，

• 磁盤尋址時間為 10ms，換算成人類時間是 10個月，剛好夠人類創造一個新的生命了，如果 CPU 需要讓磁盤泡杯咖啡，在它眼里，磁盤去生了個孩子，回來告訴它你讓我泡的咖啡好了，機械硬碟使用 RPM(Revolutions Per Minute/每分鐘轉速) 來評估磁盤的性能：RPM 越大，平均尋址時間更短，磁盤性能越好，尋址只是把磁頭移動到正確的磁道上，然后才能讀取指定扇區的內容，換句話說，尋址雖然很浪費時間，但其實它并沒有辦任何的正事（讀取磁盤內容），

• 從磁盤讀取 1MB 連續資料需要 20ms，換算成人類時間是 20個月， IO 設備是計算機系統的瓶頸，希望讀到這里你能更深切地理解這句話！如果還不理解，不妨想想你在網上買的東西，快遞送了將近兩年，你的心情是怎么樣的，

• 而從世界上不同城市網路上走一個來回，平均需要 150ms（參考世界各地 ping 報文的時間），換算成人類時間是12.5年，不難理解，所有的程式和架構都會盡量避免不同城市甚至是跨國家的網路訪問， CDN就是這個問題的一個解決方案：讓用戶和最接近自己的服務器互動，從而減少網路上報文的傳輸時間，

• 虛擬機重啟一次大約要 4s 時間，換算成人類的時間是 3百多年，對于此，我想到了喬布斯要死命優化 Mac 系統開機啟動時間的故事，如果機器能少重啟而且每次啟動能快一點，不僅能救人命，也能救 CPU 的命，

• 物理服務器重啟一次需要 5min，換算成人類時間是 2萬5千年，快趕上人類的文明史了，5 分鐘人類都要等一會了，更別提 CPU 了，所以沒事不要亂重啟服務器啊，分分鐘終結一個文明的節奏，

參考資料

• What Every Programmer Should Know About Memory
• Getting Physical With Memory

原文鏈接：https://blog.51cto.com/u_13188467/2065321

標籤：Linux

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