如何讓CPU執(zhí)行指令更快一點

高性能涉及的東西有很多，該怎么才能記住呢？

我覺得這是一個很有代表性的問題，相信很多人都有類似的困惑，所以決定寫篇文章來好好聊聊這個問題。

確實是這樣，當初在準備高性能相關的面試問題時，也是同樣的感受，有好多東西啊，該想個什么辦法把它們都串起來呢？

計算機運行的本質(zhì)，或者說程序執(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。

在這個過程中，CPU需要與內(nèi)存打交道，因為程序指令在這里面；還需要與硬盤、網(wǎng)卡等一些外部設備打交道，存儲數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)。

CPU、內(nèi)存、外部設備，這三個是計算機最主要的三個東西，所以我們在思考高性能的問題時，圍繞這三個東西，就可以把很多技術串起來。

1、讓CPU執(zhí)行指令更快一點

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

比如提高CPU主頻、指令流水線技術、亂序執(zhí)行、分支預測等等。

2、使用緩存

程序運行經(jīng)常需要讀取和加載數(shù)據(jù)，當程序經(jīng)常需要從一個慢速設備讀取數(shù)據(jù)時，性能勢必會受到影響。所以，可以先把數(shù)據(jù)緩存到一個能快速獲取的地方，加快數(shù)據(jù)加載速度，然后選擇適當?shù)臅r機來更新緩存中的數(shù)據(jù)。

緩存技術在計算機中無處不在，CPU中有存放數(shù)據(jù)和指令的一二三級緩存，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)管理硬盤數(shù)據(jù)也使用了頁緩存Page Cache。

后端服務為了快速獲取數(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)庫中查詢。

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)站服務器請求。

網(wǎng)站服務器為了提高響應速度，也有CDN緩存。

3、減少CPU被打斷次數(shù)

CPU在運行過程中不是一直埋頭執(zhí)行程序，它時不時的會被打斷，這就是中斷。

最典型的就是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包處理，如果在很大網(wǎng)絡流量下，網(wǎng)卡每來一個數(shù)據(jù)包都通過中斷告訴CPU，那CPU一天別干活了，煩都要煩死了。

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

另外DMA技術通過把數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ魍獍鋈?，解放CPU，也是這一思想的應用。

4、減少內(nèi)存拷貝

很多時候，程序需要頻繁拷貝數(shù)據(jù)，但拷貝數(shù)據(jù)的過程時比較耗時的，如果能減少拷貝的次數(shù)，無疑會提高程序性能。

比如內(nèi)存映射、零拷貝技術就屬于這一類技術。

另外高性能抓包技術DPDK，讓應用程序直接讀取網(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)

這個思想很直接，一個人干活忙不過來，那就多找?guī)讉€人一起干。并行與并發(fā)的思想同樣在計算機領域無處不在。

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

多線程技術、NUMA技術、多節(jié)點負載均衡技術等。

后端服務開發(fā)中的I/O多路復用技術（select/poll/epoll）。

6、減少鎖的競爭

前面提到多線程技術，而提到多線程就離不開鎖。很多時候，線程在鎖的競爭上浪費了太多時間，上下文的切換這些都需要有開銷。

所以減少鎖的競爭也是提高性能的一種方式，這方面的技術有原子操作、無鎖編程等。

7、資源池化技術

很多程序運行啟動時就預先分配好資源，而不是在需要的時候才去分配，這也是一種提高性能的方法。最常見的有線程池、內(nèi)存池。

8、減少I/O次數(shù)

程序運行的時候經(jīng)常要從硬盤上讀取數(shù)據(jù)，而這類操作是非常耗時的，如果能減少I/O的次數(shù)，合并I/O次數(shù)，對性能的提升將是巨大的。

體現(xiàn)這類思想的技術有B+樹、SQL批量執(zhí)行等。

9、良好的數(shù)據(jù)結構與算法

程序的靈魂是數(shù)據(jù)結構與算法，前面說了那么多，即便都做到了，但如果你的數(shù)據(jù)結構和算法設計的一塌糊涂那也是白搭。

良好的數(shù)據(jù)結構與算法能夠從根本上解決高性能的問題。

這方面思想的體現(xiàn)有哈希表、B+樹、跳表等。

總結

上面這幾個點不是孤立存在的，很多時候都是互相交織在一起的綜合應用。比如零拷貝技術，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)。

最后來總結一下，下次回答提高性能可以從四個增加、四個減少、一個良好來展開：

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/O次數(shù)、減少CPU被打斷次數(shù)、減少鎖競爭

良好的數(shù)據(jù)結構與算法

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

編輯：黃飛

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淺談51單片機指令執(zhí)行的過程

單片機執(zhí)行程序的過程，實際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。取指令的任務是：根據(jù)程序計數(shù)器PC中的值從程序存儲器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。

2018-04-16 11:20:00

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單片機是如何執(zhí)行指令過程？MCU內(nèi)存又是如何分配的？

單片機執(zhí)行程序的過程，實際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。

2018-08-25 09:10:00

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CPU操作指令詳解

CPU將CS:IP指向的內(nèi)存單元中的內(nèi)容看作指令，因為，在任何時候,CPU將CS,IP中的內(nèi)容當作指令的段地址和偏移地址，用它們合成指令的物理地址，到內(nèi)存中讀取指令碼，執(zhí)行。

2018-09-24 17:52:00

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一加6評測比旗艦更快一點的旗艦

劉海已然成為手機眾生相，一加6正面的劉海在意料之中，糾結美丑意義不大。攝像頭、閃光燈、后置指紋、logo居中排列，對稱式設計看起來更順眼。劉作虎鐘愛的地平線式的一加弧度也繼續(xù)保留。

2019-04-08 09:46:30

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80C51單片機指令的取指和執(zhí)行時序詳細說明

現(xiàn)按4類指令介紹CPU時序。因為CPU工作的過程就是取指令與執(zhí)行指令的過程，所以CPU必須先取出指令，然后才能執(zhí)行指令。

2019-09-27 17:16:00

詳談單片機如何執(zhí)行指令

2020-09-01 15:45:01

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如何寫出讓CPU執(zhí)行更快的代碼？

轉(zhuǎn)自：小林coding 前言代碼都是由 CPU 跑起來的，我們代碼寫的好與壞就決定了 CPU 的執(zhí)行效率，特別是在編寫計算密集型的程序，更要注重 CPU 的執(zhí)行效率，否則將會大大影響系統(tǒng)性

2020-10-29 11:21:48

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RAMP的指令執(zhí)行模式與脈沖輸出指令

斜坡信號指令RAMP的編程手冊截圖如下圖23-1所示，有4個操作數(shù)，僅適用于16位，無脈沖執(zhí)行型。

2021-01-17 09:54:46

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你們會設計CPU取指執(zhí)行電路嗎？

【前言】最近手上寫了一個練手的小項目，項目的大致要求是實現(xiàn)一個取指，執(zhí)行電路。取指的指令預存在，從ROM中讀取指令后，根據(jù)預定的解碼規(guī)則，對指令進行解碼，并執(zhí)行相對應的操作。發(fā)出來和大家共同

2021-07-27 16:55:36

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單片機執(zhí)行指令過程詳解

單片機執(zhí)行指令過程詳解單片機執(zhí)行程序的過程，實際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。...

2021-11-17 09:36:02

單片機是怎么執(zhí)行指令的？

2022-02-09 11:13:26

單片機執(zhí)行指令的過程

單片機執(zhí)行程序的過程，實際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。取指令的任務是：根據(jù)程序計數(shù)器

2022-02-11 15:26:34

CPU指令的執(zhí)行過程 CPU指令流水線

幾乎所有的馮·諾伊曼型計算機的 CPU，其工作都可以分為 5 個階段：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)、結果寫回。

2022-05-09 17:29:48

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如何讓CPU跑的更快

CPU不管什么樣的編程語言，什么樣的代碼框架，最終都是由CPU去執(zhí)行完成的（當然這么說不太準確，也有GPU、TPU、協(xié)處理器等其他情況，當然這不是本文探討的重點）。

2022-07-28 09:10:20

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證明CPU指令是亂序執(zhí)行的

雙擊QQ.exe從磁盤加載到內(nèi)存里面，內(nèi)存里面就會有了一個進程，進程產(chǎn)生的時候會產(chǎn)生一個主線程，就是main方法所在的線程，cpu會找到main開始的地方，把它的指令讀取過來放到程序計數(shù)器，把數(shù)據(jù)放到寄存器，然后ALU開始做計算，一步一步來執(zhí)行整個程序，這就是普通程序執(zhí)行的過程。

2023-03-15 09:13:04

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