性能的基本理解：為什么順序執(zhí)行一個(gè)操作，要比并發(fā)執(zhí)行效率更低？tps更差？

發(fā)布時(shí)間：2022-09-06

最近一個(gè)客戶提問(wèn)說(shuō)，我的系統(tǒng)順序執(zhí)行不是也很快嘛，為什么要并發(fā)來(lái)執(zhí)行呢？
 
這個(gè)問(wèn)題初看很簡(jiǎn)單，我仔細(xì)想了一下，其實(shí)不太容易回答，尤其是現(xiàn)在高級(jí)語(yǔ)言越來(lái)越多，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)的理解比較困難。其實(shí)就是對(duì)系統(tǒng)的性能理解存在很多偏差。
 
第一個(gè)問(wèn)題，程序執(zhí)行時(shí)間，是如何來(lái)計(jì)算的？我們知道，當(dāng)前的系統(tǒng)幾乎都是馮諾依曼架構(gòu)的，它順序的執(zhí)行指令（也就是程序編譯完成的結(jié)果），來(lái)完成一個(gè)一個(gè)的功能。每一條指令，執(zhí)行的時(shí)候，都包含了幾個(gè)時(shí)鐘周期。比如，一個(gè)指令可能包含1個(gè)時(shí)鐘周期，也可能包含多個(gè)。所謂時(shí)鐘，就是我們經(jīng)常看到的，你的電腦的主頻，其實(shí)是cpu主頻，是多少G的，就是一秒鐘有多少個(gè)時(shí)鐘周期。假設(shè)你的代碼要執(zhí)行5萬(wàn)條指令，平均每條指令有2個(gè)時(shí)鐘周期，那么執(zhí)行完成這一段代碼，就需要10萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期，再根據(jù)主頻，我們就能夠知道，需要多少時(shí)間了。
 
第二個(gè)問(wèn)題，為什么并發(fā)執(zhí)行速度更快？其實(shí)有幾個(gè)原因：1）我們的cpu是多內(nèi)核多線程的。每個(gè)線程可以獨(dú)立執(zhí)行一個(gè)指令序列。比如16線程的cpu，可以同時(shí)執(zhí)行16段代碼，如果你的代碼只允許單個(gè)執(zhí)行，那么只使用了1個(gè)線程，其他的15個(gè)在“休息”，當(dāng)然不夠快。如果你讓它同時(shí)跑16并發(fā)，肯定能夠得到更快的執(zhí)行速度。2）操作系統(tǒng)調(diào)度。我們知道，當(dāng)執(zhí)行代碼的時(shí)候，比如你遇到一個(gè)通訊代碼，要從一個(gè)“句柄”中讀取信息，那么這個(gè)程序就會(huì)陷入等待狀態(tài)，操作系統(tǒng)就會(huì)“掛起”它，直到這個(gè)信息發(fā)過(guò)來(lái)，觸發(fā)了一個(gè)“中斷”，來(lái)喚醒了這個(gè)代碼，讓它繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)代碼被掛起，其實(shí)操作系統(tǒng)就可以安排其他的程序進(jìn)來(lái)執(zhí)行。所以，雖然你的cpu有16線程，但是它可以執(zhí)行更多的并發(fā)。
 
第三個(gè)問(wèn)題，為什么有的代碼，看起來(lái)長(zhǎng)度差不多，但是卻很慢？我們知道，程序代碼如果使用了“系統(tǒng)調(diào)用”，那么其實(shí)這個(gè)功能是操作系統(tǒng)提供的，會(huì)進(jìn)入操作系統(tǒng)的另外一個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)致執(zhí)行了一大堆你看不到的代碼。如果你的代碼沒(méi)有系統(tǒng)調(diào)用，原則上可以比使用系統(tǒng)調(diào)用的代碼跑的更快。舉個(gè)例子，比如你的代碼用到了動(dòng)態(tài)內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存從哪里來(lái)呢？從操作系統(tǒng)的“堆”來(lái)，那么就要去操作系統(tǒng)的“堆”申請(qǐng)一片內(nèi)存。如果你想讓它很快，那么你可以開(kāi)一片大的內(nèi)存在本程序內(nèi)，一般使用局部變量。局部變量開(kāi)在哪里？一般在“棧”里面。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，性能提升了非常多。
 
以上，我們解釋了，程序執(zhí)行占用cpu和時(shí)間的問(wèn)題，以及為什么并發(fā)執(zhí)行的代碼往往會(huì)效率更高。當(dāng)然，如果你的并發(fā)設(shè)置的過(guò)高，也會(huì)起反作用：由于cpu線程的頻繁調(diào)度導(dǎo)致性能下降。
 
下面我們說(shuō)一下，如何優(yōu)化代碼。首先，要優(yōu)化單個(gè)代碼的執(zhí)行速度，就是縮短執(zhí)行時(shí)間。比如，一段代碼原來(lái)執(zhí)行一次，需要2秒。如果你優(yōu)化到0.2秒（就是200毫秒），那么速度就提升了10倍。代碼優(yōu)化，主要的就是算法，減少指令執(zhí)行條數(shù)，避免循環(huán)嵌套、甚至循環(huán)展開(kāi)。技術(shù)手段很多，有興趣可以自己搜索研究。
 
當(dāng)單個(gè)的代碼執(zhí)行速度提升，我們就可以通過(guò)性能測(cè)試工具（比如澤眾performanceRunner性能測(cè)試工具）來(lái)并發(fā)執(zhí)行，看看在大并發(fā)之下，會(huì)不會(huì)由于資源沖突或者競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的性能急速下降。單獨(dú)執(zhí)行速度快的代碼，也可能在一定并發(fā)到達(dá)之后，忽然慢下來(lái)的。比如，你的數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有索引。
 
這篇文章的目的是幫助我們理解，什么是性能，從cpu和指令的角度看，如何看待執(zhí)行速度。
 
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