讓 CPU 告訴你硬碟和網路到底有多慢

芋道原始碼發表於2019-02-15

硬碟

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來源：http://t.cn/Etv1t5u

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經常聽到有人說磁碟很慢、網路很卡，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；而從網路下載一部電影，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元件速度差異的圖表，是下面這種金字塔形式：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效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。

希望你看到看完這篇文章能明白兩件事情：磁碟和網路真的很慢，效能優化是個複雜的系統性的活。

注：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。

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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。

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程式碼來降低分支預測的機率，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。併發程式設計中，我們經常聽說鎖是一個很耗時的東西，因為在微波爐里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，每次記憶體定址需要 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 上下文切換（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。我們也知道上下文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。上下文切換更恐怖的事情在於，這段時間裡 CPU 沒有做任何有用的計算，只是切換了兩個不同程式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 的網路上傳輸 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）！可以看到網路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，報團參加周邊遊了。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 裝置 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 裝置的讀寫，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 這樣的快取記憶體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遊了。
同一個資料中心網路上跑一個來回需要 0.5ms，換算成人類時間大約是 15天，也就是半個月的時間。如果你的程式有段程式碼需要和資料中心的其他伺服器互動，在這段時間裡 CPU 都已經狂做了半個月的運算。減少不同服務元件的網路請求，是效能優化的一大課題。
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，不信你看下面機械磁碟的表現。
磁碟定址時間為 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 需要讓磁碟泡杯咖啡，在它眼裡，磁碟去生了個孩子，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) 來評估磁碟的效能：RPM 越大，平均定址時間更短，磁碟效能越好。定址只是把磁頭移動到正確的磁軌上，然後才能讀取指定扇區的內容。換句話說，定址雖然很浪費時間，但其實它並沒有辦任何的正事（讀取磁碟內容）。
從磁碟讀取 1MB 連續資料需要 20ms，換算成人類時間是 20個月。IO 裝置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路上走一個來回，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盡量避免不同城市甚至是跨國家的網路訪問，CDN 就是這個問題的一個解決方案：讓使用者和最接近自己的伺服器互動，從而減少網路上報文的傳輸時間。
虛擬機器重啟一次大約要 4s 時間，換算成人類的時間是 3百多年。對於此，我想到了賈伯斯要死命優化 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。
物理伺服器重啟一次需要 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伺服器啊，分分鐘終結一個文明的節奏。