性能究竟是什么

什么是性能？

• 对于计算机的性能，我们需要有个标准来衡量，这个标准中主要有两个指标。
  • 响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）。
    • 想要提升响应时间这个性能指标，可以理解为让计算机“跑得更快”。
    • 响应时间指的就是，我们执行一个程序，到底需要花多少时间。
    • 花的时间越少，自然性能就越好。
  • 吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth）。
    • 想要提升这个指标，可以理解为让计算机“搬得更多”。
    • 吞吐率是指我们在一定的时间范围内，到底能处理多少事情。
    • 这里的“事情”，在计算机里就是处理的数据或者执行的程序指令。

计算机的计时单位：CPU 时钟

• 我们需要对“时间”这个我们可以感知的指标进行拆解，把程序的 CPU 执行时间变成 CPU 时钟周期数（CPU Cycles）和时钟周期时间（Clock Cycle）的乘积。
• 程序的 CPU 执行时间 = CPU 时钟周期数 × 时钟周期时间。
  • 在 CPU 内部，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。
  • 晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间。
  • 比如电脑的主频（Frequency/Clock Rate）为 2.8GHz 的 CPU 上，时钟周期时间就是 1/2.8G。
    • CPU 是按照这个“时钟”提示的时间来进行自己的操作。
    • 主频越高，意味着这个表走得越快，CPU 也就“被逼”着走得越快。
  • 超频说的其实就相当于把买回来的 CPU 内部的钟给调快了，于是 CPU 的计算跟着这个时钟的节奏，也就自然变快了。当然这个快不是没有代价的，CPU 跑得越快，散热的压力也就越大。
  • 最简单的提升性能方案，自然缩短时钟周期时间，也就是提升主频。
  • 如果能够减少程序需要的CPU时钟周期数量，一样能够提升程序性能。
• 对于 CPU 时钟周期数，我们可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。
  • 程序的 CPU 执行时间=指令数×CPI×Clock Cycle Time，因此，如果我们想要解决性能问题，其实就是要优化这三者。
  • 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。
  • 每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。
    • 现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。
    • 因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
  • 指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。
    • 这个很多时候就把挑战交给了编译器。
    • 同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。