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原來計算機1秒鐘能干這么多事兒!

來源: 責(zé)編: 時間:2024-04-26 08:52:16 226觀看
導(dǎo)讀大家好,我是風(fēng)箏我們平時在開發(fā)的時候,凡涉及到時間的場景,一般就是在做性能測試和優(yōu)化的時候了。比如說一個互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),在性能方面會要求接口的平均響應(yīng)時間為1秒以內(nèi),或者幾百毫秒。在軟件項目中,最小的時間單位可能也就

大家好,我是風(fēng)箏I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

我們平時在開發(fā)的時候,凡涉及到時間的場景,一般就是在做性能測試和優(yōu)化的時候了。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

比如說一個互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),在性能方面會要求接口的平均響應(yīng)時間為1秒以內(nèi),或者幾百毫秒。在軟件項目中,最小的時間單位可能也就是毫秒了。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

反正我是沒碰到過有人說毫秒以下的單位了。比如某個開發(fā)說,我把這個接口的響應(yīng)時間減少了10納秒。那我們會想,這莫不是個傻子吧。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

但是,在計算機中(主要指硬件層面),1秒鐘能干的事兒簡直太多了。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

計算機的主要組成

計算機的組成當(dāng)然是很復(fù)雜的了,這里只說核心部件抽象出來的最簡化的一個結(jié)構(gòu),如下圖所示,主要就是這幾塊兒構(gòu)成:I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

輸入、輸出設(shè)備

這就不用多說了,就是什么鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器之類的。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

主存儲器DRAM

也就是我們平常說說的內(nèi)存,也就是內(nèi)存條的那個內(nèi)存,比如我的電腦是 16G內(nèi)存,也就是DRAM有16個G。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

中央處理器(CPU)

毋庸置疑,這是計算機的靈魂所在,計算機之說以叫計算機,是因為它主要就是為了完成運算任務(wù)的,而CPU就是干這個的。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

CPU 又包括比較核心的控制器、運算器和高速緩存。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

圖片圖片I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

主存和高速緩存的關(guān)系

主存,也就是前面說的 DRAM 。DRAM 是一種內(nèi)存類型,用于存儲程序和數(shù)據(jù),是計算機系統(tǒng)中的主要存儲器件。而高速緩存是一種臨時存儲器,用于存儲 CPU 訪問頻繁的數(shù)據(jù)和指令,以提高數(shù)據(jù)訪問速度。比如我運行IDEA要占去好幾個G的內(nèi)存,數(shù)據(jù)是存在DRAM中的,高速緩存可沒有這么大空間。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

另外,高速緩存的訪問速度比 DRAM 快得多,CPU 的高速緩存是距離 CPU 最近的存儲器,速度比內(nèi)存(包括DRAM)快很多,可以與 CPU 同步工作。而DRAM的訪問速度相對較慢,通常比高速緩存慢幾個數(shù)量級。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

高速緩存又分為L1、L2、L3四個級。L1 緩存是最接近 CPU 核心的一級緩存,速度最快,容量較小;L2 緩存位于 L1 緩存和主內(nèi)存之間,速度比 L1 緩存慢一些,容量較大一些;L3 緩存是最靠近主內(nèi)存的一級緩存,速度比 L1 和 L2 緩存都要慢一些,容量最大。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

整個計算機有一個存儲器層級結(jié)構(gòu)劃分,如下圖所示。L0 也就是CPU運算器中的寄存器,從上到下速度越來越慢,但是容量越來越大。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

圖片圖片I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

時鐘周期

終于開始點題了, 計算機1秒能干多少事兒,這里的事兒反應(yīng)到CPU上就是一個個的指令。比如最簡單的指令包括讀寫寄存器、訪問高速緩存、加減運算等等。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

最簡單的原子指令可以在一個很短的時間段內(nèi)完成,這個時間段有一個特別的名稱,叫做時鐘周期。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

我們查看電腦配置的時候有一個指標(biāo)是 XXX MHz(赫茲),比如我的電腦是 2667 MHz,也就是 2.6GHz,這個指標(biāo)叫做時鐘頻率。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

圖片圖片I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

時鐘頻率是指計算機中央處理器CPU的工作頻率,表示每秒鐘CPU內(nèi)核工作的次數(shù)。時鐘頻率越高,CPU的工作速度越快。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

每個時鐘周期,CPU可以執(zhí)行一條指令。所以說,我這臺電腦 - 2.667 GHz,相當(dāng)于CPU每秒鐘可以執(zhí)行2.667億條指令。1秒執(zhí)行2.667億條指令,好家伙,確實是快呀,想想就累啊,可見CPU也是蠻辛苦的。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

時鐘周期是CPU執(zhí)行指令的最基本單位。在一個時鐘周期內(nèi),CPU僅完成一個最基本的動作。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

計算機一些常見操作耗時

普通計算機一秒就能執(zhí)行數(shù)以億計的指令數(shù),那對應(yīng)到一些常見操作上的耗時是多少呢?I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

下面這個表是摘自《性能之巔:洞悉系統(tǒng)、企業(yè)與云計算》中的一個關(guān)于系統(tǒng)延時的表格,這個表是針對 3.3GHz 時鐘頻率的計算結(jié)果。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

一個 CPU 周期當(dāng)做一個基本單位,和現(xiàn)實世界中的1秒做對應(yīng)關(guān)系,可以看出CPU到底有多快,而和CPU比起來,其他操作到底有多慢。即便對于CPU來說,其他操作很慢,但是現(xiàn)實世界的1秒鐘足夠計算機干很多事兒了。I1o28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

事件
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耗時
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相對時間比例
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1個CPU周期
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0.3 ns
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1s
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L1緩存訪問
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0.9 ns
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3s
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L2緩存訪問
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2.8 ns
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9s
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L3緩存訪問
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12.9 ns
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43s
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主存訪問(從CPU訪問DRAM)
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120 ns
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6分
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固態(tài)硬盤I/O(閃存)
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50-150 μs
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2-6天
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旋轉(zhuǎn)磁盤I/O
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1-10 ms
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1-12月
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互聯(lián)網(wǎng):從舊金山到紐約
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40 ms
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4年
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互聯(lián)網(wǎng):從舊金山到英國
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81 ms
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8年
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互聯(lián)網(wǎng):從舊金山到澳大利亞
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183 ms
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19年
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TCP包重傳
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1-3 s
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105-317年
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OS虛擬化系統(tǒng)重啟
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4s
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423年
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SCSI命令超時
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30 s
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3千年
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硬件虛擬化系統(tǒng)重啟
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40 s
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4千年
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物理系統(tǒng)重啟
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5m
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32千年
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站在CPU的角度來看,物理重啟一次的時間要花上幾千年的時間。這比神話傳說中的天上一天,人間一年還要夸張。
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