过去30年里,CPU设计者主要从三个方面提高CPU性能,头两个就是从线性执行流程上考虑的:
1、时钟速度
2、执行优化
3、缓存
提升时钟速度将增大单位时间的时钟周期数。让CPU跑得更快,就意味着能让同样工作或多或少更快完成。
优化指令执行,可以在每个时钟周期内完成更多工作。目前的CPU中,一些指令被不同程度地做了优化,如管线、分支预测、同一时钟周期内执行更多指令,甚至指令流再排序支持乱序执行等[译注5]。引入这些技术的目的是让指令流更好、更快执行,降低延迟时间,挖掘每一时钟周期内芯片的工作潜能。
在这里,有必要对指令再排序作个简单说明。我刚才提到的部分指令优化手段,其实已远非普通意义上的优化。这些优化可能改变程序原意,造成程序不响应程序员的正常要求。这可是个大问题。CPU设计师都是心智健全且经过严格训练的好同志,正常情况下,他们连苍蝇都不愿伤害,自然也无意破坏你的程序。而在最近几年里,尽管知道指令重组有破坏程序语义的风险,但为了提升每个时钟周期内的工作效率,他们已经习惯于积极开展这类有风险的优化工作。难道海德先生[译注6]复活了?当然不是。这种积极性清楚表明,芯片设计师承受了交付速度更快CPU的巨大压力;在这种压力下,为了让软件跑得更快,他们不得不冒改变程序意思,甚至应用崩溃的风险。拿两个有名的例子来说——写操作再排序和读操作再排序[译注7]。允许处理器对写操作再排序是非常令人吃惊的,让大多数程序员意外,一般来说这个特性必须关闭,因为在写操作被处理器武断地再排序条件下,程序员很难保证程序正确执行。读操作再排序也有明显的问题,但大多数情况下这个特性是开启的;因为相对来说它更容易把握一些,而且人们对性能的要求,让操作系统和操作环境设计师只能选择让程序员在一定程度吃点苦头,毕竟,这比直接放弃性能优化机会的罪责小一些。
第三个是增大与RAM分离的片内高速缓存。RAM一直比CPU慢很多,因此让数据近可能靠近处理器就很重要——当然那就是片内了[译注8]。片内缓存持续飚升了很多年,现在的主流芯片商出售的CPU都带有2M甚至更高的二级缓存。值得一提的是,今后,三种提升CPU性能的传统手段里,增加缓存将硕果仅存。我会在后面更详细说明缓存的重要性。
我写这么多的意思是什么呢?
最重要的是我们必须认识到,传统性能提升方法与并发没有直接关系。过去任何方法带来的速度提升,无论是顺序(非并行的单线程或单进程)、还是并发执行的程序,都能直接受益。这点很重要,我们目前大量的程序都是单线程的,而且在未来仍然有重要的存在价值。
当然,适当时候,我们重新编译程序,可以利用CPU的新指令(如MMX、SSE[译注9])和新特性提升系统性能。但总的来说,即使放弃使用新指令和新特性,不做任何更改,老程序在新CPU也会跑得更快,让人心花怒放。
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