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讓 CPU 告訴你硬碟和網絡到底有多慢

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原始碼精品專欄

 

來源:http://t.cn/Etv1t5u

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簡介

經常聽到有人說磁盤很慢、網絡很卡,這都是站在人類的感知維度去表述的,比如拷貝一個檔案到硬碟需要幾分鐘到幾十分鐘,夠我去吃個飯啦;而從網絡下載一部電影,有時候需要幾個小時,我都可以睡一覺了。

最為我們熟知的關於計算機不同組件速度差異的圖表,是下麵這種金字塔形式:越往上速度越快,容量越小,而價格越高。這張圖只是給了我們一個直觀地感覺,並沒有對各個速度和性能做出量化的說明和解釋。而實際上,不同層級之間的差異要比這張圖大的多。這篇文章就讓你站在 CPU 的角度看這個世界,說說到底它們有多慢。

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希望你看到看完這篇文章能明白兩件事情:磁盤和網絡真的很慢,性能優化是個複雜的系統性的活。

註:所有的資料都是來自這個地址。所有的資料會因為機器配置不同,或者硬體的更新而有出入,但是不影響我們直覺的感受。如果對這些資料比較感興趣,這個網址給出了不同年份一些指標的數值。

資料

  • 先來看看 CPU 的速度,就拿我的電腦來說,主頻是 2.6G,也就是說每秒可以執行 2.6*10^9 個指令,每個指令只需要 0.38ns(現在很多個人計算機的主頻要比這個高,配置比較高的能達到 3.0G+)。我們把這個時間當做基本單位 1s,因為 1s 大概是人類能感知的最小時間單位。
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  • 一級快取讀取時間為 0.5ns,換算成人類時間大約是 1.3s,大約一次或者兩次心跳的時間。這裡能看出快取的重要性,因為它的速度可以趕上 CPU,程式本身的 locality 特性加上指令層級上的優化,cache 訪問的命中率很高,這最終能極大提高效率。
  • 分支預測錯誤需要耗時 5ns,換算成人類時間大約是 13s,這個就有點久了,所以你會看到很多文章分析如何優化代碼來降低分支預測的幾率,比如這個得分非常高的 stackoverflow 問題。
  • 二級快取時間就比較久了,大約在 7ns,換算成人類時間大約是 18.2s,可以看到的是如果一級快取沒有命中,然後去二級快取讀取資料,時間差了一個數量級。

小知識:為什麼需要多層的 CPU 快取呢?這篇文章通過一個通俗易懂的例子給出了講解。

  • 我們繼續,互斥鎖的加鎖和解鎖時間需要 25ns,換算成人類時間大約是 65s,首次達到了一分鐘。併發編程中,我們經常聽說鎖是一個很耗時的東西,因為在微波爐裡加熱一個東西需要一分鐘的話,你要在那傻傻地等蠻久了。
  • 然後就到了記憶體,每次記憶體尋址需要 100ns,換算成人類時間是 260s,也就是4分多鐘,如果讀一些不需要太多思考的文章,這麼久能讀完2-3千字(這個快閱讀的時代,很少人在手機上能靜心多這麼字了)。看起來還不算壞,不多要從記憶體中讀取一段資料需要的時間會更多。到了記憶體之後,時間就變了一個量級,CPU 和記憶體之間的速度瓶頸被稱為馮諾依曼瓶頸。
  • 一次 CPU 背景關係切換(系統呼叫)需要大約 1500ns,也就是 1.5us(這個數字參考了這篇文章,採用的是單核 CPU 執行緒平均時間),換算成人類時間大約是 65分鐘,嗯,也就是一個小時。我們也知道背景關係切換是很耗時的行為,畢竟每次浪費一個小時,也很讓人有罪惡感的。背景關係切換更恐怖的事情在於,這段時間里 CPU 沒有做任何有用的計算,只是切換了兩個不同行程的暫存器和記憶體狀態;而且這個過程還破壞了快取,讓後續的計算更加耗時。
  • 在 1Gbps 的網絡上傳輸 2K 的資料需要 20us,換算成人類時間是 14.4小時,這麼久都能把《星球大戰》六部曲看完了(甚至還加上吃飯撒尿的時間)!可以看到網絡上非常少資料傳輸對於 CPU 來說,已經很漫長。而且這裡的時間還是理論最大值,實際過程還要更慢一些。
  • SSD 隨機讀取耗時為 150us,換算成人類時間大約是 4.5天。換句話說,SSD 讀點資料,CPU 都能休假,報團參加周邊游了。雖然我們知道 SSD 要比機械硬碟快很多,但是這個速度對於 CPU 來說也是像烏龜一樣。I/O 設備 從硬碟開始速度開始變得漫長,這個時候我們就想起記憶體的好處了。儘量減少 IO 設備的讀寫,把最常用的資料放到記憶體中作為快取是所有程式的通識。像 memcached 和 redis 這樣的高速快取系統近幾年的異軍突起,就是解決了這裡的問題。
  • 從記憶體中讀取 1MB 的連續資料,耗時大約為 250us,換算成人類時間是 7.5天,這次假期升級到國慶七天國外游了。
  • 同一個資料中心網絡上跑一個來回需要 0.5ms,換算成人類時間大約是 15天,也就是半個月的時間。如果你的程式有段代碼需要和資料中心的其他服務器交互,在這段時間里 CPU 都已經狂做了半個月的運算。減少不同服務組件的網絡請求,是性能優化的一大課題。
  • 從 SSD 讀取 1MB 的順序資料,大約需要 1ms,換算成人類時間是 1個月。也就是說 SSD 讀一個普通的檔案,如果要等你做完,CPU 一個月時間就荒廢了。儘管如此,SSD 已經很快啦,不信你看下麵機械磁盤的表現。
  • 磁盤尋址時間為 10ms,換算成人類時間是 10個月,剛好夠人類創造一個新的生命了。如果 CPU 需要讓磁盤泡杯咖啡,在它眼裡,磁盤去生了個孩子,回來告訴它你讓我泡的咖啡好了。機械硬碟使用 RPM(Revolutions Per Minute/每分鐘轉速) 來評估磁盤的性能:RPM 越大,平均尋址時間更短,磁盤性能越好。尋址只是把磁頭移動到正確的磁道上,然後才能讀取指定扇區的內容。換句話說,尋址雖然很浪費時間,但其實它並沒有辦任何的正事(讀取磁盤內容)。
  • 從磁盤讀取 1MB 連續資料需要 20ms,換算成人類時間是 20個月IO 設備是計算機系統的瓶頸,希望讀到這裡你能更深切地理解這句話!如果還不理解,不妨想想你在網上買的東西,快遞送了將近兩年,你的心情是怎麼樣的。
  • 而從世界上不同城市網絡上走一個來回,平均需要 150ms(參考世界各地 ping 報文的時間),換算成人類時間是 12.5年。不難理解,所有的程式和架構都會儘量避免不同城市甚至是跨國家的網絡訪問,CDN 就是這個問題的一個解決方案:讓用戶和最接近自己的服務器交互,從而減少網絡上報文的傳輸時間。
  • 虛擬機重啟一次大約要 4s 時間,換算成人類的時間是 3百多年。對於此,我想到了喬布斯要死命優化 Mac 系統開機啟動時間的故事。如果機器能少重啟而且每次啟動能快一點,不僅能救人命,也能救 CPU 的命。
  • 物理服務器重啟一次需要 5min,換算成人類時間是 2萬5千年,快趕上人類的文明史了。5 分鐘人類都要等一會了,更別提 CPU 了,所以沒事不要亂重啟服務器啊,分分鐘終結一個文明的節奏。

參考資料

  • What Every Programmer Should Know About Memory
  • Getting Physical With Memory



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