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[26422] 2021-04-25_特斯拉遇上CPU：程序员的心思你别猜

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-04-25_特斯拉遇上CPU：程序员的心思你别猜 特 斯 拉 遇 上   C P U ： 程 序 员 的 心 思 你 别 猜 码 农 的 荒 岛 求 生   L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 4 - 2 5 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 码 农 的 荒 岛 求 生 码 农 的 荒 岛 求 生 1 8 世 纪 流 水 线 的 诞 生 带 来 了 制 造 技 术 的 变 革 ， 人 类 当 今 拥 有 琳 琅 满 目 物 美 价 廉 的 商 品 和 流 水 线 技 术 的 发 明 密 不 可 分 ， 因 此 当 你 喝 着 可 乐 、 吹 着 空 调 、 坐 在 特 斯 拉 里 拿 着 智 能 手 机 刷 这 篇 文 章 时 需 要 感 谢 流 水 线 技 术 因 此 当 你 喝 着 可 乐 、 吹 着 空 调 、 坐 在 特 斯 拉 里 拿 着 智 能 手 机 刷 这 篇 文 章 时 需 要 感 谢 流 水 线 技 术 。 一 段 有 趣 的 代 码 一 段 有 趣 的 代 码 有 这 样 一 段 代 码 ： 这 段 代 码 非 常 简 单 ， 给 定 一 个 数 组 ， 计 算 所 有 大 于 2 5 6   的 元 素 之 和 ， 重 复 计 算   1 0 0 0 0   遍 。 这 段 代 码 本 身 平 淡 无 奇 ， 但 有 趣 的 是 ： 如 果 这 个 数 组 是 有 序 的 ， 那 么 这 段 代 码 的 运 行 速 度 会 比 处 理 无 序 数 如 果 这 个 数 组 是 有 序 的 ， 那 么 这 段 代 码 的 运 行 速 度 会 比 处 理 无 序 数 组 快 将 近 组 快 将 近   1 0   倍 倍 ( 不 同 的 机 器 、 C P U 架 构 可 能 会 稍 有 差 异 ) 。 可 这 是 为 什 么 呢 ？ 这 和 制 造 业 使 用 的 流 水 线 又 有 什 么 关 系 呢 ？ 且 听 我 慢 慢 道 来 。 流 水 线 技 术 的 诞 生 流 水 线 技 术 的 诞 生 1 7 6 9 年 ， 英 国 人 乔 赛 亚 · 韦 奇 伍 德 开 办 了 一 家 陶 瓷 工 厂 ， 这 家 工 厂 生 产 的 陶 瓷 乏 善 可 陈 ， 但 其 内 部 的 管 理 方 式 极 具 创 新 性 ， 传 统 的 方 法 都 是 由 制 陶 工 专 人 来 完 成 ， 但 韦 奇 伍 德 研 究 后 将 整 个 制 陶 工 艺 流 程 分 成 了 几 十 道 工 几 十 道 工 序 序 ， 每 一 道 工 序 都 交 给 专 人 完 成 ， 这 样 传 统 的 制 陶 人 不 复 存 在 ， 这 便 是 工 业 流 水 线 最 早 的 雏 形 。 发 扬 光 大 发 扬 光 大 虽 然 流 水 线 技 术 可 以 说 是 英 国 人 发 明 的 ， 但 发 扬 光 大 的 却 是 美 国 人 ， 这 便 是 福 特 与 T 型 车 。 f o r   ( i n t   k   =   0 ;   k   <   1 0 0 0 0 ;   k + + ) {     f o r   ( i n t   i   =   0 ;   i   <   a r r . s i z e ( ) ;   i + + )   {             i f   ( a r r [ i ]   >   2 5 6 )                     s u m   + =   a r r [ i ] ;     } }
2 0 世 纪 初 ， 福 特 将 流 水 线 技 术 应 用 到 汽 车 的 批 量 生 产 ， 效 率 得 到 千 倍 提 高 ， 使 得 汽 车 这 种 奢 侈 品 开 始 能 够 为 使 得 汽 车 这 种 奢 侈 品 开 始 能 够 为 大 众 消 费 大 众 消 费 ， 深 刻 影 响 了 现 代 社 会 的 方 方 面 面 ， 注 意 上 图 中 一 辆 车 的 价 格 。 。 。 1 0 0   年 后 又 一 个 美 国 人 携 带 他 的 时 尚 电 动 车 再 一 次 席 卷 全 球 ， 这 就 是 特 斯 拉 。 接 下 来 我 们 仔 细 看 一 下 流 水 线 技 术 。 特 斯 拉 与 流 水 线 特 斯 拉 与 流 水 线 假 设 组 装 一 辆 特 斯 拉 需 要 经 过 ： 组 装 车 架 、 安 装 引 擎 、 安 装 电 池 、 检 验 四 道 工 序 ， 同 时 假 设 每 个 步 骤 需 要   2 0   分 钟 ， 因 此 如 果 所 有 工 序 都 由 一 个 组 装 站 点 来 完 成 ， 那 么 组 装 一 辆 特 斯 拉 需 要 8 0 分 钟 。 但 如 果 每 个 步 骤 都 交 给 一 个 特 定 站 点 来 组 装 的 话 就 不 一 样 了 ， 此 时 生 产 一 辆 车 的 时 间 依 然 是 8 0 分 钟 ， 但 这 只 是 第 一 辆 车 所 需 要 的 时 间 ， 此 后 工 厂 可 以 每 2 0 分 钟 就 交 付 一 辆 特 斯 拉 。
注 意 ， 流 水 线 并 没 有 减 少 组 装 一 辆 车 的 时 间 ， 只 是 增 加 了 工 厂 的 吞 吐 能 力 。 流 水 线 技 术 的 使 用 极 大 增 加 了 工 厂 交 付 车 辆 的 效 率 。 流 水 线 技 术 的 使 用 极 大 增 加 了 工 厂 交 付 车 辆 的 效 率 。 C P U   与 超 级 工 与 超 级 工 厂 厂 其 实   C P U   本 身 也 是 一 座 超 级 工 厂 。 只 不 过 C P U 这 座 工 厂 生 产 的 不 是 特 斯 拉 ， 而 是 机 器 指 令 。 工 厂 内 部 有 流 水 线 极 大 提 高 了 生 产 效 率 ， C P U   没 有 理 由 不 拥 有 。 你 可 以 想 象 一 下 ， 不 管 你 现 在 看 这 篇 文 章 用 的 是 不 管 你 现 在 看 这 篇 文 章 用 的 是 P C   还 是 智 能 手 机 ， 其 内 部 的 还 是 智 能 手 机 ， 其 内 部 的   C P U   都 有 一 条 复 杂 度 不 亚 都 有 一 条 复 杂 度 不 亚 于 特 斯 拉 超 级 工 厂 的 流 水 生 产 线 于 特 斯 拉 超 级 工 厂 的 流 水 生 产 线 。
如 果 我 们 把 C P U 处 理 的 一 条 机 器 指 令 当 做 一 辆 特 斯 拉 的 话 ， 那 么 对 于 现 代 C P U 这 座 超 级 工 厂 来 说 ， 一 秒 钟 的 一 秒 钟 的 时 间 内 可 以 交 付 数 十 亿 量 特 斯 拉 时 间 内 可 以 交 付 数 十 亿 量 特 斯 拉 ， 效 率 完 爆 任 何 当 今 制 造 界 的 工 业 流 水 线 ， C P U   才 是 一 座 名 副 其 实 的 超 级 才 是 一 座 名 副 其 实 的 超 级 工 厂 工 厂 。 如 果 特 斯 拉 超 级 工 厂 也 如   C P U   一 般 高 效 的 话 ， 特 斯 拉 可 能 比 现 在 的 自 行 车 都 要 便 宜 ， 地 球 人 民 人 手 一 辆 特 斯 拉 不 成 问 题 ， 算 上 外 星 人 也 不 成 问 题 。 机 器 指 令 与 流 水 线 机 器 指 令 与 流 水 线 实 际 上 说   C P U   生 产 机 器 指 令 是 不 正 确 的 ， C P U   其 实 不 是 在 生 产 机 器 指 令 而 是 在 处 理 机 器 指 令 ， 生 产 机 器 其 实 不 是 在 生 产 机 器 指 令 而 是 在 处 理 机 器 指 令 ， 生 产 机 器 指 令 的 是 编 译 器 指 令 的 是 编 译 器 ， C P U 需 要 处 理 机 器 指 令 以 此 来 指 挥 整 个 计 算 机 系 统 工 作 。 同 生 产 一 辆 特 斯 拉 需 要 四 道 工 序 一 样 ， 处 理 一 条 机 器 指 令 大 体 上 也 可 以 分 为 四 个 步 骤 ： 取 指 、 译 码 、 执 行 、 回 写 ， 这 几 个 阶 段 分 别 由 特 定 的 硬 件 来 完 成   ( 注 意 ， 真 实   C P U   内 部 可 能 会 将 执 行 一 条 指 令 分 解 为 数 十 个 阶 段 ) 。 怎 么 样 ， 是 不 是 和 超 级 工 厂 生 产 特 斯 拉 没 什 么 区 别 ， 当 今 当 今 C P U 用 每 秒 处 理 数 十 亿 机 器 指 令 的 能 力 驱 动 着 智 用 每 秒 处 理 数 十 亿 机 器 指 令 的 能 力 驱 动 着 智 能 手 机 好 让 你 流 畅 的 刷 公 众 号 、 短 视 频 、 刷 微 博 、 刷 知 乎 能 手 机 好 让 你 流 畅 的 刷 公 众 号 、 短 视 频 、 刷 微 博 、 刷 知 乎 ， 这 里 ， 流 水 线 技 术 功 不 可 没 。
当 当   i f   遇 到 流 水 遇 到 流 水 线 线 实 际 上   C P U   内 部 的 流 水 线 和 现 实 中 的 并 不 完 全 一 样 。 程 序 员 在 代 码 中 编 写 的   i f   语 句 一 般 会 被 编 译 器 翻 译 成 一 条 跳 转 指 令 ， i f   语 句 其 实 起 到 一 种 分 支 分 支 的 作 用 ， 如 果 条 件 成 立 则 需 要 执 行 i f 内 部 的 逻 辑 ， 否 则 不 执 行 ； 因 此 跳 转 指 令 会 依 赖 跳 转 指 令 会 依 赖 自 身 的 执 行 结 果 来 决 定 到 底 要 不 要 跳 转 自 身 的 执 行 结 果 来 决 定 到 底 要 不 要 跳 转 ， 这 会 对 流 水 线 产 生 影 响 。 有 的 同 学 可 能 不 明 白 ， 这 能 产 生 什 么 影 响 呢 ？ 现 在 ， 让 我 们 仔 细 观 察 一 下 特 斯 拉 流 水 线 ， 你 会 发 现 当 前 一 辆 车 还 没 有 完 全 制 造 完 成 时 后 一 辆 车 就 已 经 进 入 当 前 一 辆 车 还 没 有 完 全 制 造 完 成 时 后 一 辆 车 就 已 经 进 入 到 流 水 线 了 到 流 水 线 了 。 对 于 C P U 来 说 道 理 是 一 样 的 ， 当 一 条 跳 转 指 令 还 没 有 完 成 时 后 面 的 指 令 就 需 要 进 入 到 流 水 线 ， 因 此 问 题 来 了 ：
跳 转 指 令 需 要 依 赖 自 身 的 执 行 结 果 来 决 定 到 底 要 不 要 跳 转 ， 那 么 在 跳 转 指 令 没 有 执 行 完 的 情 况 下 跳 转 指 令 需 要 依 赖 自 身 的 执 行 结 果 来 决 定 到 底 要 不 要 跳 转 ， 那 么 在 跳 转 指 令 没 有 执 行 完 的 情 况 下   C P U   怎 么 知 道 后 面 哪 个 分 支 的 指 令 能 进 入 到 流 水 线 呢 怎 么 知 道 后 面 哪 个 分 支 的 指 令 能 进 入 到 流 水 线 呢 ？ C P U   能 预 测 未 来 吗 ？ 预 测 未 来 预 测 未 来 对 此   C P U   当 然 是 不 知 道 的 。 那 么 该 怎 么 办 呢 ？ 很 简 单 ， 一 个 字 ， 猜 猜 。 你 没 有 看 错 ， C P U   会 猜 一 下   i f   语 句 可 能 会 走 哪 个 分 支 ， 如 果 猜 对 了 流 水 线 照 常 继 续 ， 如 果 猜 错 了 ， 对 不 起 ， 流 水 线 上 已 经 执 行 的 后 续 指 令 全 部 作 废 流 水 线 上 已 经 执 行 的 后 续 指 令 全 部 作 废 ， 因 此 我 们 可 以 看 到 如 果 C P U 猜 错 了 会 有 性 能 损 耗 。 现 代   C P U   将 “ 猜 ” 的 这 个 过 程 称 为 分 支 预 测 分 支 预 测 。 当 然 ， C P U   中 的 分 支 预 测 并 不 是 简 单 的 抛 硬 币 式 的 随 机 瞎 猜 ， 而 且 有 特 定 策 略 ， 比 如 可 能 会 基 于 执 行 跳 转 指 令 的 历 史 去 进 行 预 测 等 等 。 知 道 了 分 支 预 测 就 可 以 解 释 文 章 开 头 的 问 题 了 。
程 序 员 的 心 思 你 别 猜 程 序 员 的 心 思 你 别 猜 现 在 我 们 知 道 ， 程 序 员 编 写 的   i f   语 句 对 应 的 是 跳 转 指 令 ： C P U   在 执 行 完 跳 转 指 令 之 前 必 须 决 定 后 续 哪 个 分 支 的 指 令 会 进 入 到 流 水 线 ， 猜 对 了 流 水 线 照 常 进 行 ， 猜 错 了 有 性 能 损 耗 。 那 么 如 果 一 个 数 组 是 有 序 的 ： 而 如 果 一 个 数 组 是 无 序 的 ： 你 觉 得 哪 种 更 好 猜 一 些 ？ 如 果 你 给 C P U 一 个 无 序 数 组 ， 那 么   A r r [ i ]   是 否 大 于 2 5 6   基 本 上 就 是 随 机 的 ， 对 于 随 机 事 件 ， 不 要 说 对 于 随 机 事 件 ， 不 要 说 C P U 的 的 分 支 预 测 ， 任 何 其 它 预 测 手 段 都 将 无 效 ， 否 则 这 就 不 是 随 机 事 件 了 分 支 预 测 ， 任 何 其 它 预 测 手 段 都 将 无 效 ， 否 则 这 就 不 是 随 机 事 件 了 。 如 果   C P U   猜 的 不 对 ， 那 么 流 水 线 上 的 后 续 指 令 将 作 废 ， 这 就 解 释 了 为 什 么 处 理 有 序 数 组 要 比 处 理 无 序 数 组 性 能 好 了 ， 因 为 在 数 组 有 序 的 情 况 下 ， C P U   的 分 支 预 测 几 乎 不 会 猜 错 ， 流 水 线 上 的 指 令 不 会 被 频 繁 作 废 。 这 对 程 序 员 的 启 示 就 是 ： 如 果 你 编 写 了   i f   语 句 ， 那 么 你 最 好 让 你 最 好 让   C P U   大 概 率 能 猜 对 大 概 率 能 猜 对 。 有 的 同 学 看 到 这 里 ， 可 能 会 觉 得 每 一 条   i f   语 句 都 性 能 低 下 ， 恨 不 得 从 此 不 再 写 i f   e l s e ， 真 的 是 这 样 吗 ？ 编 写 编 写   I f   e l s e 时 需 要 注 意 什 时 需 要 注 意 什 么 么 实 际 上 如 果 你 编 写 的 i f 语 句 没 有 位 于 对 性 能 要 求 很 高 的 核 心 代 码 部 分 ， 那 么 分 支 预 测 失 败 这 种 问 题 无 需 关 心 。 i f   ( a r r [ i ]   > =   2 5 6 )   {     s u m   + =   a r r [ i ] ; }
实 际 上 现 代   C P U   的 分 支 预 测 是 很 聪 明 的 ， 对 于 非 核 心 部 分 的 i f   语 句 分 支 预 测 失 败 带 来 的 性 能 损 失 可 以 忽 略 不 计 。 但 是 对 于 文 章 开 头 提 到 的 代 码 ， 程 序 的 大 部 分 时 间 都 用 在 了   f o r   循 环 中 ， 这 时 你 就 要 注 意 了 ， 当 然 前 提 还 是 这 当 然 前 提 还 是 这 段 代 码 对 时 间 要 求 非 常 严 苛 段 代 码 对 时 间 要 求 非 常 严 苛 ， 否 则 你 也 没 必 要 为 了 这 点 性 能 去 优 化 。 好 奇 的 同 学 可 能 会 问 ， 如 果 给 定 的 数 组 是 无 序 的 ， 那 么 上 面 提 到 的 这 段 该 怎 么 优 化 呢 ？ 性 能 优 化 性 能 优 化 实 际 上 非 常 简 单 ， 只 需 要 移 除   i f   语 句 就 可 以 ， 该 怎 么 移 除 呢 ？ 没 有   i f   语 句 的 话 ， 那 么 那 么   s u m   每 次 都 必 须 加 上 一 个 数 每 次 都 必 须 加 上 一 个 数 ， 如 果 a r r [ i ] 比 2 5 6 大 ， 那 么   s u m   加 上 差 值 ， 否 则   s u m   加   0 即 可 ， 这 样 就 消 除 了 i f   判 断 。 我 们 计 算 a r r [ i ]   -   2 5 6 的 值 ， 并 将 其 向 右 移 动 3 1 位 : 这 样 得 到 的 数 不 是 0   ( 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ， 就 是   - 1   ( 0 x f f f f f f f f ) ， 然 后 我 们 对 其 取 反 ， 再 次 与 上   a r r [ i ]   即 可 ： 也 就 是 说 如 果 a r r [ i ]   -   2 5 6   大 于 0   的 话 那 么 差 值 会 与 上   0 x f f f f f f f f ， 其 结 果 就 是 保 持 不 变 ， 否 则 会 与 上 0 ， 其 结 果 就 是 s u m 会 加 上 0 ， 这 样 就 不 需 要   i f   判 断 了 。 利 用 位 运 算 ， 即 使 数 组 是 无 序 的 也 不 会 有 性 能 问 题 ， 代 价 就 是 代 码 可 读 性 会 降 低 很 多 代 价 就 是 代 码 可 读 性 会 降 低 很 多 ， 这 里 ， 我 们 再 一 次 看 到 天 下 没 有 免 费 的 午 餐 天 下 没 有 免 费 的 午 餐 。 总 结 总 结 虽 然   C P U   体 积 很 小 ， 只 有 指 甲 那 么 大 ， 但   C P U   可 能 是 人 类 有 史 以 来 建 造 过 的 最 复 杂 的 东 西 ， 在 这 里 实 现 了 很 多 有 趣 的 功 能 ， 程 序 员 只 有 彻 底 理 解   C P U   才 能 更 好 的 利 用 这 些 功 能 编 写 性 能 优 异 的 程 序 。 希 望 这 篇 对 大 家 理 解   C P U   有 所 帮 助 。 - - -   E O F   - - - 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ ( a r r [ i ]   -   2 5 6 )   > >   3 1 s u m   + =   ~ ( ( a r r [ i ]   -   2 5 6 )   > >   3 1 )   &   a r r [ i ] ;
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