图解系统

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• 回顾
• 如何写出让CPU 跑得更快的代码？
  • CPU Cache有多快
  • CPU Cache的数据结构和读取过程？
  • 如何写出让CPU跑得更快的代码？
    • 提升数据缓存的命中率
    • 提升指令缓存的命中率
    • 多核CPU的缓存命中率
  • 还有什么办法写出让cpu跑的更快的代码？
  • 命令集
  • 参考资料

回顾

1. CPU 是如何执行程序的？

   • 图灵机：定义了可计算模型

   • 遵循了图灵机的设计的冯诺依曼模型

   • 最重要的是定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型。

   • a = 1 + 1执行过程

2. 磁盘比内存慢几万倍？

如何写出让CPU 跑得更快的代码？

CPU Cache有多快

• 查看MAC CPU Cache

// L1 数据缓存 64kb
hw.l1dcachesize: 65536

// L1 指令缓存  128kb
hw.l1icachesize: 131072

// L2 缓存 4096kb = 4m
hw.l2cachesize: 4194304

//  Cache Line（缓存块）64字节
hw.cachelinesize: 64

• CPU Cache 结构（Linux）
  
• 访问速度
  
  

CPU Cache的数据结构和读取过程？

取模运算

如果内存中的数据已经在 CPU Cache 中了，那 CPU 访问一个内存地址的时候，会经历这 4 个步骤：

1. 根据内存地址中索引信息，计算在 CPU Cache 中的索引，也就是找出对应的 CPU Cache Line 的地址；
2. 找到对应 CPU Cache Line 后，判断 CPU Cache Line 中的有效位，确认 CPU Cache Line 中数据是否是有效的，如果是无效的，CPU 就会直接访问内存，并重新加载数据，如果数据有效，则往下执行；
3. 对比内存地址中组标记和 CPU Cache Line 中的组标记，确认 CPU Cache Line 中的数据是我们要访问的内存数据，如果不是的话，CPU 就会直接访问内存，并重新加载数据，如果是的话，则往下执行；
4. 根据内存地址中偏移量信息，从 CPU Cache Line 的数据块中，读取对应的字。

如何写出让CPU跑得更快的代码？

提升数据缓存的命中率

提升指令缓存的命中率

多核CPU的缓存命中率

还有什么办法写出让cpu跑的更快的代码？

命令集

// 查看所有信息
sysctl machdep.cpu

sysctl hw.cachelinesize

sysctl hw.cachesize 
// hw.cachesize: 3707699200 65536 4194304 0 0 0 0 0 0 0

// L1数据 数据缓存
sysctl hw.l1dcachesize
// L1指令缓存
sysctl hw.l1icachesize
// L2 缓存 d i 不能指定，猜测L2缓存没有区分；mac m1 没有L3
sysctl hw.l2cachesize 
// 
// 硬件基本信息
system_profiler SPHardwareDataType

参考资料

1. 图灵机的工作原理

2. 你不知道的图灵机

3. 图灵机：计算机世界的理论基石

4. 几种提升 Cache 性能的方法