CPU的主频

透过CPU的主频，谈谈性能究竟是什么

计算机的性能衡量

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。

一、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”。

二、吞吐率（Throughout）或者带宽（Bandwidth），想要理解这个指标，可以理解为让计算机“搬得更多”。

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。而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。和搬东西来做对比，如果我们的响应时间短，跑得快，我们可以来回多跑几趟多搬几趟。所以说，缩短程序的响应时间，一般来说都会提升吞吐率。

除了缩短响应时间，我们还有别的方法吗？当然有，比如说，我们还可以多找几个人一起来搬，这就类似现代的服务器都是 8 核、16 核的。人多力量大，同时处理数据，在单位时间内就可以处理更多数据，吞吐率自然也就上去了。

提升吞吐率的办法有很多。大部分时候，我们只要多加一些机器，多堆一些硬件就好了。但是响应时间的提升却没有那么容易。

一般把性能，定义成响应时间的倒数，也就是：

性能 = 1/ 响应时间

响应时间

在业界，各大 CPU 和服务器厂商组织了一个叫作 SPEC（Standard Performance Evaluation Corporation）的第三方机构，专门用来指定各种“跑分”的规则。

SPEC 提供的 CPU 基准测试程序，就好像 CPU 届的“高考”，通过数十个不同的计算程序，对于 CPU 的性能给出一个最终评分。[链接🔗](https://www.spec.org/cpu2017/results/cpu2017.html)

计算机的计时单位：CPU 时钟

虽然时间是一个很自然的用来衡量性能的指标，但是用时间来衡量时，有两个问题。

第一个就是时间不“准”。如果用你自己随便写的一个程序，来统计程序运行的时间，每一次统计结果不会完全一样。有可能这一次花了 45ms，下一次变成了 53ms。为什么会不准呢？这里面有好几个原因。首先，我们统计时间是用类似于“掐秒表”一样，记录程序运行结束的时间减去程序开始运行的时间。这个时间也叫 Wall Clock Time 或者 Elapsed Time，就是在运行程序期间，挂在墙上的钟走掉的时间。

但是，计算机可能同时运行着好多个程序，CPU 实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里面，很可能 CPU 切换去运行别的程序了。而且，有些程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和硬盘把数据读出来，给到内存和 CPU。所以说，要想准确统计某个程序运行时间，进而去比较两个程序的实际性能，我们得把这些时间给刨除掉。

Linux 下有一个叫 time 的命令，可以帮我们统计出来，同样的 Wall Clock Time 下，程序实际在 CPU 上到底花了多少时间。

运行一下 time 命令。它会返回三个值，第一个是 real time，也就是我们说的 Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程中流逝掉的时间；第二个是 user time，也就是 CPU 在运行你的程序，在用户态运行指令的时间；第三个是 sys time，是 CPU 在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间。而程序实际花费的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 加上 sys time。

$ time seq 1000000 | wc -l
1000000

real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys   0m0.016s

即使我们已经拿到了 CPU 时间，我们也不一定可以直接“比较”出两个程序的性能差异。因为同一台计算机上，CPU 可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些。 除了 CPU 之外，时间这个性能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响。

我们把程序的 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

什么是时钟周期时间。你在买电脑的时候，一定关注过 CPU 的主频。比如这台电脑是 Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里的 2.8GHz 就是电脑的主频（Frequency/Clock Rate）。这个 2.8GHz，我们可以先粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，可以执行的简单指令的数量是 2.8G 条。准确一点描述就是，这个主频就是我们 CPU 的一个“钟表”能够识别出来的最小的时间间隔 。

在 CPU 内部，和我们平时戴的电子石英表类似，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。我们把晶振当成 CPU 内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间。 （如果组装过台式机的话，可能听说过“超频”这个概念，这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。就和人一样，超过生理极限，CPU 就会崩溃了。)

CPU 时钟周期数

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）”

不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。

拆分了之后，我们的程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积。

程序的 CPU 执行时间 = 指令数 × CPI × Clock Cycle Time 

因此，想要解决性能问题，其实就是要优化这三者。

1. 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的 摩尔定律 就一直在不停地提高我们计算机的主频。比如说，我最早使用的 80386 主频只有 33MHz，现在手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提升了将近 100 倍。

2. 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。在后面讲解 CPU 结构的时候，我们会看到，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。

3. 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。

形象比喻：

• 我们可以把自己想象成一个 CPU，坐在那里写程序。计算机主频就好像是你的打字速度，打字越快，你自然可以多写一点程序。CPI 相当于你在写程序的时候，熟悉各种快捷键，越是打同样的内容，需要敲击键盘的次数就越少。指令数相当于你的程序设计得够合理，同样的程序要写的代码行数就少。如果三者皆能实现，你自然可以很快地写出一个优秀的程序，你的“性能”从外面来看就是好的。

延伸

每次有新手机发布的时候，总会有一些对于手机的跑分结果的议论。乃至于有“作弊”跑分或者“针对跑分优化”的说法。我们能针对“跑分”作弊么？怎么做到呢？

• 当检测到跑分程序运行的时候，降低系统调用，提高跑分程序优先级。关闭热管理系统(防止过热关核降频)，手机CPU核心全开，超频到最高等。不顾一切，全心全意为跑分程序服务
• 提高跑分，无非是优化CPU的执行时间，可以从两个方面入手，一是提高CPI，可以采取超频运行的模式；二是优化指令数，单独针对特定的CPU进行代码优化。