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前言

交流群里最常聽到的一句話就是：我項(xiàng)目太垃圾了，面試怎么辦。說實(shí)話，我聽了也感同身受，因?yàn)槲乙彩沁@么走過來的。而且，幾乎大部分人都會(huì)經(jīng)歷這個(gè)過程。所以，不多說了，安排。

之所以挑性能優(yōu)化這個(gè)方向，主要有幾個(gè)原因：

1）性能優(yōu)化是我很感興趣的一個(gè)方向，同時(shí)在過去幾年，我在這個(gè)方向上積累了一些經(jīng)驗(yàn)，可以說，我之前的面試，項(xiàng)目上幾乎是靠性能優(yōu)化一招走遍天下。因此，我覺得可以拿出來和大家分享一下。

2）性能優(yōu)化非常通用，幾乎對(duì)于所有線上項(xiàng)目都可以適用，大家掌握了之后，立馬可以到項(xiàng)目中實(shí)踐起來。我想，應(yīng)該不存在不需要性能優(yōu)化的項(xiàng)目，除非你的項(xiàng)目只有“Hello world”。

3）性能優(yōu)化大部分內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，幾乎沒有門檻，經(jīng)驗(yàn)較淺的同學(xué)也很容易上手，同時(shí)性能優(yōu)化也適用二八原則：掌握20%的內(nèi)容，足以解決80%的問題。

4）性能優(yōu)化很容易拿到結(jié)果，稍微有經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)的同學(xué)應(yīng)該知道，做需求最怕拿不到結(jié)果，性能優(yōu)化就不一樣了，都是很直白的數(shù)字。1小時(shí)的任務(wù)，我優(yōu)化成5分鐘，性能提升就是十來倍，簡(jiǎn)單粗暴。

不多說了，開懟。

正文

文章的標(biāo)題來源于 Jeff Dean 在谷歌的內(nèi)部一次分布式系統(tǒng)的演講，英文標(biāo)題為：Numbers Everyone Should Know。

這些數(shù)字與我們后續(xù)做性能優(yōu)化息息相關(guān)，因此我將這部分內(nèi)容放在第一篇，幫助大家建立基本的性能概念。

先來看 Jeff Dea n 所說的數(shù)字是哪些：

注：1μs = 1000ns、1ms = 1000 μ s

表格 第三列將耗時(shí)數(shù)據(jù)提升10億倍，換算成大家更容易看的單位。

這份數(shù)據(jù)的最初來源為  Peter Norvig 的文章 ：Teach Yourself Programming in Ten Years，地址：http://norvig.com/21-days.html。

伯克利 的  Colin Scott 根據(jù)這份 數(shù)據(jù)，通過一定的算法，制作了一個(gè)可以根據(jù)時(shí)間的推移而變化的網(wǎng)站，地址為：https://colin-scott.github.io/personal_website/research/interactive_latency.html，源碼中注釋有詳細(xì)解釋計(jì)算邏輯，例如網(wǎng)絡(luò)帶寬是按每2年增加1倍，DRAM帶寬按每3年增加一倍。

根據(jù) Colin Scott 的圖表來看，到2021年，網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)存、SSD、磁盤，都有數(shù)量級(jí)的提升，而 CPU 相關(guān)的一二級(jí)緩存變化不大，有興趣的可以自己點(diǎn)進(jìn)去看一看。

看這些數(shù)據(jù)的目的

首先，這些數(shù)據(jù)肯定不是完全準(zhǔn)確的，受限于眾多環(huán)境因素的影響，其實(shí)很難有所謂的準(zhǔn)確數(shù)字。

我們看這些數(shù)據(jù)更多是了解每個(gè)操作的耗時(shí)量級(jí)，各個(gè)操作之間的數(shù)量級(jí)比率，從而對(duì)于我們工作中接觸到的一些相關(guān)知識(shí)有初步的概念。

而我將這個(gè)數(shù)據(jù)放在性能優(yōu)化系列文章的開篇，主要想先傳達(dá)給各位同學(xué)幾個(gè)概念：

1）CPU非常非?？?/h4>

CPU執(zhí) 行大部分簡(jiǎn)單指令只需要1個(gè)時(shí)鐘周期，我用個(gè)人電腦測(cè)試時(shí)，CPU可以睿頻到 4.40GHz（見第2點(diǎn)的測(cè)試圖），也就是說此時(shí)執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單指令需要的時(shí)間大約是1/4.4ns，也就是0.23ns（納秒）。

這是什么概念了，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，即使是真空中傳播的光，在0.23 ns 內(nèi)也只能走不到7厘米。

2）內(nèi)存很快了，但是相比CPU來說還是太慢了

CPU和內(nèi)存之間的瓶頸通常稱為馮·諾伊曼瓶頸。具體差別有多大了，我用自己的電腦做了個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試。

我電腦 是 今年剛買的，硬件應(yīng)該都還比較新，但是配置比較普通，僅供參考。

CPU配置是 11th Gen Intel Core i5-11400F@2.60GHz，睿頻4.40GHz，測(cè)試結(jié)果看也確實(shí)跑到了4.40GHz了， 內(nèi)存配置是  DDR 4 3 2 00MHz。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

從上圖看，內(nèi)存的讀取速度為41GB/s，感覺還是挺快的，但是L1 Cache為3TB/s，一比較，相差還是很大。

如果CPU按4.40GHz來算，執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單指令需要的時(shí)間大約是0.23ns（納秒），而內(nèi)存的延遲是88.7ns，相當(dāng)于CPU去內(nèi)存里取一個(gè)字節(jié)，需要等待386個(gè)周期，可以看出，內(nèi)存相較于CPU來說，確實(shí)太慢了。

這也是為什么引入了L1、L2、L3緩存的原因，不過這邊我們不深入去研究這些東西，只是對(duì)CPU和內(nèi)存的性能差距有個(gè)大概概念。

3）磁盤性能非常非常慢

這個(gè)大家估計(jì)大家都知道，具體有多慢了， 我這邊在用自 己的電腦做了個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試。

我電腦剛好有兩塊硬盤，一塊256GB的SSD（固態(tài)硬盤），一塊1T的HDD（機(jī)械硬盤）。

SSD測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

忽略隊(duì)列（Q）和線程（T）的影響，順序讀（SEQ）的性能為1535.67MB/s，隨機(jī)讀（RND）的性能為49.61MB/s。

對(duì)比下上面內(nèi)存的性能 41GB/s ，盡管是SSD，性能還是存在數(shù)量級(jí)的差距，另一個(gè)就是隨機(jī)讀的性能相比順序讀也是存在數(shù)量級(jí)的差距。

HDD測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

忽 略隊(duì)列（Q）和線程（T）的影響，順序讀（SEQ）的性能為183.49MB/s，隨機(jī)讀（RND）的性能為0.6MB/s。

對(duì)比下上面SSD的性能：順序讀 1535.67 比183.49，存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，隨機(jī)讀 49.61 比0.6，存在兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。

而HDD順序讀和隨機(jī)讀的性能差距相比SSD就比較嚴(yán)重了，大概有300倍。簡(jiǎn)直慘不忍睹，不過相信現(xiàn)在的服務(wù)器應(yīng)該基本都是SSD了。如果發(fā)現(xiàn)自己公司服務(wù)器的磁盤還是HDD，那就趕緊溜吧。

4）磁盤順序I/O比隨機(jī)讀I/O快很多

這個(gè)在上面的測(cè)試也看出來了，都是數(shù)量級(jí)上的差距，特別是在以前的HDD上。有不少技術(shù)就是利用了順序I/O性能好的特點(diǎn)來提升性能，典型的有：kafka順序?qū)懴ⅰeveldb和RocksDB底層使用的LSM-Tree等。

5）網(wǎng)絡(luò)傳輸也是比較耗時(shí)的，基本都是毫秒級(jí)別

在開始的表格中可以看到，在同數(shù)據(jù)中心一個(gè)往返，需要0.5ms。

如果 是跨城市就更久了 ， 這個(gè) 相信也不難理解，畢竟 信 號(hào) 要順著網(wǎng)線爬，距離越遠(yuǎn)，當(dāng)然所需時(shí)間就越久了 。

下圖是上海到一些城市進(jìn)行PING操作所需的時(shí)間，可以看到張家口已經(jīng)需要30ms左右了，這也差不多就是北上的延遲。

這也是為什么我們?cè)诜?wù)器的路由策略上通常會(huì)優(yōu)先使用同機(jī)房?jī)?yōu)先、同中心優(yōu)先的策略。

這讓我想到我之前碰到的一個(gè)問題，當(dāng)時(shí)是一個(gè)新服務(wù)在測(cè)試，數(shù)據(jù)庫基本沒數(shù)據(jù)，測(cè)試場(chǎng)景也是很簡(jiǎn)單的增刪改查，但是接口的性能就是很差，動(dòng)不動(dòng)就上百毫秒。

仔 細(xì)看了調(diào)用鏈后，發(fā)現(xiàn)每次DB操作都需要30ms左右，看了下機(jī)房分布后 ，發(fā)現(xiàn)是應(yīng)用服務(wù)器和 數(shù)據(jù)庫 服務(wù)器跨城市了，一個(gè)在北京一個(gè)在上海，導(dǎo)致會(huì)有固定30ms左右的延遲 。將兩者換到同機(jī)房后，基本就是1ms了。

總結(jié)

本文著重介紹了業(yè)務(wù)開發(fā)在做性能優(yōu)化需要掌握的一些核心概念，之所以放在最先介紹，是因?yàn)樵谖易鲂阅軆?yōu)化的過程中，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)性能問題都是由于網(wǎng)絡(luò)I/O和磁盤I/O引起的。 對(duì)這些概念心中有數(shù)后 ，有利于我們更快的定位出性能瓶頸，從而更快的解決問題。