0x1 硬件的体系结构

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0x2 cpu流水线

原理

cpu每执行一条指令大致至少需要经过以下三个时钟周期：

  • 取指令
  • 译码
  • 执行

（注：现代cpu的流水线其实更加复杂，一般在10几级）
那么很显然如果指令是一条条执行的，会出现等待的情况，指令译码阶段，这个时候取指令模块就得等待，不然后面就出错了。而且由于每一条指令的执行速度均不一致，比如加法和浮点运算显然有质的区别，如果一条条执行，显然后面的指令需要等待前面指令结束。因此现代cpu为了提高性能都是流水线执行，即每一条指令分为多个阶段，每个阶段并行执行。

影响

  • 性能
    • 分支预测：对于具有高度可预测性的控制流，流水线能保持在满的状态。但是对于难以预测的控制逻辑，流水线需要停顿等待（等待取指令，内存访问较慢），或者需要冲刷之前超前计算的结果（之前的结果可能保存到了寄存器）。
      • 代码中有许多循环，且循环计数很小
      • 代码中有很多分支，跳转比较远

分支预测通常需要程序员根据业务逻辑辅助cpu进行预测。

  • 逻辑性

由于流水线的存在，导致代码的执行顺序可能发生变化

0x3 内存引用

内存引用即通过指针访问内存（随机内存访问）。

由于普通的RAM访问速度比较慢，因此现在的cpu里面一般会集成高速缓存，随机内存访问会导致缓存命中率下降，从而导致cpu性能下降。常见的内存访问比如链表。

  1. struct list {
  2.     struct list *prev;
  3.     struct list *next;
  4. }

0x4 原子操作

原子操作依赖于cpu提供的lock指令，该指令需要锁住内存总线，从而导致其他的cpu性能下降。

0x5 内存屏障

内存屏障会阻碍指令的并行执行。

0x6 Cache Miss

0x7 I/O操作