第一章 計(jì)算機(jī)抽象及相關(guān)技術(shù)

1.6性能

1.6.1性能的定義

要素：?

1. 響應(yīng)時(shí)間（response time）——

1. 定義：也叫執(zhí)行時(shí)間（execution time），是計(jì)算機(jī)完成某任務(wù)所需的總時(shí)間，包括硬盤訪問、內(nèi)存訪問、I/O活動(dòng)、操作系統(tǒng)開銷和CPU執(zhí)行時(shí)間等；

2. 適用范圍：個(gè)人計(jì)算機(jī)用戶會(huì)對(duì)降低響應(yīng)時(shí)間感興趣；

2. 吞吐率——

1. 定義：也叫做帶寬（band-width），性能的另一種度量參數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量；

2. 適用范圍：服務(wù)器更關(guān)注吞吐量。

3. 關(guān)系：往往相互影響。

相對(duì)性能： 公式——

——X的執(zhí)行速度是Y的n倍。

1.6.2性能的度量

衡量標(biāo)準(zhǔn)：時(shí)間，需要時(shí)間最少的計(jì)算機(jī)是最快的。

時(shí)間分類：

1. 掛鐘時(shí)間（wall clock time）：也叫響應(yīng)時(shí)間（response time）、運(yùn)行時(shí)間（elapsed time），表示完成某項(xiàng)任務(wù)所需的總時(shí)間，包括了磁盤訪問、內(nèi)存訪問、I/O活動(dòng)和操作系統(tǒng)開銷等一切時(shí)間；

2. CPU執(zhí)行時(shí)間（CPU execution time）：簡(jiǎn)稱為CPU時(shí)間，只表示在CPU上花費(fèi)的時(shí)間，而不包括等待I/O或運(yùn)行其他程序的時(shí)間；

3. 注意：用戶所感受到的是程序的運(yùn)行時(shí)間，而不是CPU時(shí)間。

定義：

1. 系統(tǒng)性能（system performance）：空載系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；

2. CPU性能（CPU performance）：用戶CPU時(shí)間；

3. 本章重點(diǎn)放在CPU性能上；

4. 時(shí)鐘周期數(shù)（clock cycle，或稱滴答數(shù)、時(shí)間滴答數(shù)、時(shí)鐘數(shù)、周期數(shù)）——

1. 背景：計(jì)算機(jī)用戶更關(guān)心時(shí)間，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者考慮如何度量計(jì)算機(jī)硬件完成基本功能的速度；

2. 含義：計(jì)算機(jī)一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間，通常是指處理器時(shí)鐘，并在固定頻率下運(yùn)行；

3. 時(shí)鐘頻率：時(shí)鐘周期的倒數(shù)。

1.6.3CPU性能及其度量因素

將用戶關(guān)注的性能指標(biāo)（時(shí)間）與設(shè)計(jì)者關(guān)注性能指標(biāo)（時(shí)鐘周期數(shù)）聯(lián)系起來，公式——

——硬件設(shè)計(jì)中減少程序執(zhí)行所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)或縮短時(shí)鐘周期長(zhǎng)度，就能改進(jìn)性能。

1.6.4指令性能

編譯器明確生成了要執(zhí)行的指令，且計(jì)算機(jī)必須通過執(zhí)行指令來運(yùn)行程序，因此執(zhí)行時(shí)間必然依賴于程序中的指令數(shù)，公式——

——指令平均時(shí)鐘周期數(shù)（clock cycle per instruction）：表示每條指令所需的時(shí)鐘周期平均數(shù)，縮寫為CPI，根據(jù)所完成任務(wù)的不同，不同的指令需要的時(shí)間可能不同，CPI是程序的所有指令所用時(shí)鐘周期的平均數(shù)，在指令系統(tǒng)不變的情況下，一個(gè)程序執(zhí)行的指令數(shù)是不變的。

1.6.5經(jīng)典的CPU性能公式

用指令數(shù)（程序執(zhí)行所需要的指令總數(shù)）、CPI（指令平均時(shí)鐘周期數(shù)）和時(shí)鐘周期長(zhǎng)度來寫出基本的性能公式——

——將三個(gè)影響性能的因素進(jìn)行了分離，可以比較不同的實(shí)現(xiàn)方案或評(píng)估某個(gè)設(shè)計(jì)的替代方案。

注意：時(shí)間是唯一對(duì)計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行測(cè)量的完整而可靠的指標(biāo)。

測(cè)量方式：

1. CPU的執(zhí)行時(shí)間：運(yùn)行程序；

2. 時(shí)鐘周期長(zhǎng)度：計(jì)算機(jī)說明書；

3. 指令數(shù)：

1. 體系結(jié)構(gòu)仿真器；

2. 處理器中的硬件計(jì)數(shù)器。

結(jié)論：只用一個(gè)因素去評(píng)價(jià)性能是危險(xiǎn)的——

1. 比較兩臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)必須考慮全部三個(gè)因素，它們組合起來才能確定執(zhí)行時(shí)間；

2. 如果某個(gè)因素相同，則必須考慮不同的因素才能確定性能的優(yōu)劣；

3. 因?yàn)镃PI根據(jù)指令分布的不同而變化，所以即使時(shí)鐘頻率是相同的，也必須比較指令總數(shù)和CPI——指令分布（instruction mix）：在一個(gè)或多個(gè)程序中，對(duì)指令的動(dòng)態(tài)使用頻度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

影響性能的軟硬件組分：

1. 算法：指令數(shù)、CPI；

2. 編程語言：指令數(shù)、CPI；

3. 編譯器：指令數(shù)、CPI；

4. 指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：指令數(shù)、時(shí)鐘頻率、CPI。