用 CPI 火焰图分析 Linux 性能问题

1. 什么是 CPI ？

本小节讲述为何使用 CPI 分析程序性能的意义。若是已经很是了解 CPI 对分析程序性能的意义，能够跳过本小节的阅读。

1.1 程序怎么样才能跑得快 ？

理解什么是 CPI，首先让咱们思考一个问题：在一个给定的处理器上，如何才能让程序跑得更快呢？

假设程序跑得快慢的标准是程序的执行时间，那么程序执行的快慢，就能够用以下公式来表示：

程序执行时间 = 程序总指令数 x 每 CPU 时钟周期时间 x 每指令执行所需平均时钟周期数

所以，要想程序跑得快，即减小程序执行时间，咱们就须要在如下三个方面下功夫：

1. 减小程序总指令数

   要减小程序执行的总指令数，可能有如下手段：

   • 算法优化；好的算法设计，可能带来更少的指令执行数
   • 更高效的编译器或者解释器；新的编译器或者解释器，可能对一样的源代码，生成更少的机器码。
   • 用更底层的语言优化；这是为什么 Linux 内核代码使用 C 语言，而且还喜欢内联汇编。
   • 更新的处理器指令；新的处理器指令，对处理某类特殊目的运算更有帮助，而新版本编译器最重要的工做就是，在新的处理器上，用最新的高效指令；例如，x86 SSE，AVX 指令。
2. 减小每 CPU 时钟周期时间

   这一点很容易理解，缩短 CPU 时钟周期的时间，实际上就是要提升 CPU 的主频。这正是 Intel 过去占无不胜的法宝之一。今天，因为主频的提升已经到了制造工艺的极限，CPU 时钟周期的时间很难再继续下降了。

3. 减小每指令执行所需平均时钟周期数

   如何减小每指令执行所需平均 CPU 时钟周期数呢？让咱们先从 CPU 设计角度看一下：

   • 标量处理器 (Scalar Processor) ；一个 CPU 时钟周期只能执行一条指令；
   • 超标量处理器 (Superscalar Processor)；一个 CPU 时钟周期能够执行多条指令；一般这个是靠在处理器里实现多级流水线 (Pipeline) 来实现的。

   所以不难看出，若是使用支持超标量处理器的 CPU，利用 CPU 流水线提升指令并行度，那么就能够达到咱们的目的了。流水线的并行度越高，执行效率越高，那么每指令执行所需平均时钟周期数就会越低。