用 CPI 火焰圖分析 Linux 性能問題

1. 什麼是 CPI ？

本小節講述爲何使用 CPI 分析程序性能的意義。若是已經很是瞭解 CPI 對分析程序性能的意義，能夠跳過本小節的閱讀。

1.1 程序怎麼樣才能跑得快 ？

理解什麼是 CPI，首先讓咱們思考一個問題：在一個給定的處理器上，如何才能讓程序跑得更快呢？

假設程序跑得快慢的標準是程序的執行時間，那麼程序執行的快慢，就能夠用以下公式來表示：

程序執行時間 = 程序總指令數 x 每 CPU 時鐘週期時間 x 每指令執行所需平均時鐘週期數

所以，要想程序跑得快，即減小程序執行時間，咱們就須要在如下三個方面下功夫：

1. 減小程序總指令數

   要減小程序執行的總指令數，可能有如下手段：

   • 算法優化；好的算法設計，可能帶來更少的指令執行數
   • 更高效的編譯器或者解釋器；新的編譯器或者解釋器，可能對一樣的源代碼，生成更少的機器碼。
   • 用更底層的語言優化；這是爲什麼 Linux 內核代碼使用 C 語言，而且還喜歡內聯彙編。
   • 更新的處理器指令；新的處理器指令，對處理某類特殊目的運算更有幫助，而新版本編譯器最重要的工做就是，在新的處理器上，用最新的高效指令；例如，x86 SSE，AVX 指令。
2. 減小每 CPU 時鐘週期時間

   這一點很容易理解，縮短 CPU 時鐘週期的時間，實際上就是要提升 CPU 的主頻。這正是 Intel 過去佔無不勝的法寶之一。今天，因爲主頻的提升已經到了製造工藝的極限，CPU 時鐘週期的時間很難再繼續下降了。

3. 減小每指令執行所需平均時鐘週期數

   如何減小每指令執行所需平均 CPU 時鐘週期數呢？讓咱們先從 CPU 設計角度看一下：

   • 標量處理器 (Scalar Processor) ；一個 CPU 時鐘週期只能執行一條指令；
   • 超標量處理器 (Superscalar Processor)；一個 CPU 時鐘週期能夠執行多條指令；一般這個是靠在處理器裏實現多級流水線 (Pipeline) 來實現的。

   所以不難看出，若是使用支持超標量處理器的 CPU，利用 CPU 流水線提升指令並行度，那麼就能夠達到咱們的目的了。流水線的並行度越高，執行效率越高，那麼每指令執行所需平均時鐘週期數就會越低。