性能的基本理解：為什么順序執行一個操作，要比并發執行效率更低？tps更差？
發布時間：2022-09-06
最近一個客戶提問說，我的系統順序執行不是也很快嘛，為什么要并發來執行呢？
這個問題初看很簡單，我仔細想了一下，其實不太容易回答，尤其是現在高級語言越來越多，導致開發人員對系統的理解比較困難。其實就是對系統的性能理解存在很多偏差。
第一個問題，程序執行時間，是如何來計算的？我們知道，當前的系統幾乎都是馮諾依曼架構的，它順序的執行指令（也就是程序編譯完成的結果），來完成一個一個的功能。每一條指令，執行的時候，都包含了幾個時鐘周期。比如，一個指令可能包含1個時鐘周期，也可能包含多個。所謂時鐘，就是我們經?？吹降?，你的電腦的主頻，其實是cpu主頻，是多少G的，就是一秒鐘有多少個時鐘周期。假設你的代碼要執行5萬條指令，平均每條指令有2個時鐘周期，那么執行完成這一段代碼，就需要10萬個時鐘周期，再根據主頻，我們就能夠知道，需要多少時間了。
第二個問題，為什么并發執行速度更快？其實有幾個原因：1）我們的cpu是多內核多線程的。每個線程可以獨立執行一個指令序列。比如16線程的cpu，可以同時執行16段代碼，如果你的代碼只允許單個執行，那么只使用了1個線程，其他的15個在“休息”，當然不夠快。如果你讓它同時跑16并發，肯定能夠得到更快的執行速度。2）操作系統調度。我們知道，當執行代碼的時候，比如你遇到一個通訊代碼，要從一個“句柄”中讀取信息，那么這個程序就會陷入等待狀態，操作系統就會“掛起”它，直到這個信息發過來，觸發了一個“中斷”，來喚醒了這個代碼，讓它繼續執行。當代碼被掛起，其實操作系統就可以安排其他的程序進來執行。所以，雖然你的cpu有16線程，但是它可以執行更多的并發。
第三個問題，為什么有的代碼，看起來長度差不多，但是卻很慢？我們知道，程序代碼如果使用了“系統調用”，那么其實這個功能是操作系統提供的，會進入操作系統的另外一個狀態，導致執行了一大堆你看不到的代碼。如果你的代碼沒有系統調用，原則上可以比使用系統調用的代碼跑的更快。舉個例子，比如你的代碼用到了動態內存，這個內存從哪里來呢？從操作系統的“堆”來，那么就要去操作系統的“堆”申請一片內存。如果你想讓它很快，那么你可以開一片大的內存在本程序內，一般使用局部變量。局部變量開在哪里？一般在“棧”里面。你會發現，性能提升了非常多。
以上，我們解釋了，程序執行占用cpu和時間的問題，以及為什么并發執行的代碼往往會效率更高。當然，如果你的并發設置的過高，也會起反作用：由于cpu線程的頻繁調度導致性能下降。
下面我們說一下，如何優化代碼。首先，要優化單個代碼的執行速度，就是縮短執行時間。比如，一段代碼原來執行一次，需要2秒。如果你優化到0.2秒（就是200毫秒），那么速度就提升了10倍。代碼優化，主要的就是算法，減少指令執行條數，避免循環嵌套、甚至循環展開。技術手段很多，有興趣可以自己搜索研究。
當單個的代碼執行速度提升，我們就可以通過性能測試工具（比如澤眾performanceRunner性能測試工具）來并發執行，看看在大并發之下，會不會由于資源沖突或者競爭導致的性能急速下降。單獨執行速度快的代碼，也可能在一定并發到達之后，忽然慢下來的。比如，你的數據庫沒有索引。
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，如何看待執行速度。
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