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这代码居然有差别？CPU友好的代码该这样写

这代码居然有差别？CPU友好的代码该这样写

科技

阿里妹导读


本文用实际用例阐述了用心组织的代码也能让性能提升百倍，我们不应该停留在CRUD的漩涡中。下面来看看这个神奇的现象。

一、震惊，这代码居然有差别！

CPU友好的代码与我们平时的那些CRUD操作可能没啥关系。但是用心组织的代码其实也能让性能提升百倍。我们不应该停留在CRUD的漩涡中。今天我给大家带来一个很神奇的现象，文章不长，原理通用，还请大家耐心看完！
我们可以先看下面的矩阵计算。
大家也可以自己思考一下，如果是你来实现一个矩阵的乘法，你会怎么来做。
下图是我给出的A、B、C 三个解题的思路。大家觉得在Jvm里面，下面的代码性能会有区别么？如果有的话，哪一个会快一点？如果没有的话，又为什么？
这里停顿两秒。
/...1
/...2
现在是公布答案的时间，下图是benchmark运行的结果（具体的运行代码和结果查看文末的附件），是否和你想的一样呢。
x轴是计算数组的大小。y轴是所消耗的时间。
最上两条线是 B 代码块儿的结果，中间是 A 代码块儿的结果，最下面是 C 代码块儿的结果。
从运行时间角度看结果是：TC < TA < TB。从性能角度看结果是：PC > PA > PB。
大家猜对结果了么？是不是很你想的一样呢？
如果不是的话，那就慢慢往下面看吧。

二、为什么会有性能差别？

要想知道这个问题的答案，我们需要知道两个知识点，缺一不可。
  • 首先，我们需要知道Java二维数组的存储结构是什么样子的。
  • 其次，我们需要知道CPU在计算的时候它L1、L2、L3的缓存机制。

2.1 知识点

2.1.1 知识点一 -- Java二维数组的存储结构

下图便是Java二维数组的一个存储方式示意图，意思是 int[][] array_A = new int[4][3]。
在一个数组里面存的都是“指针”，指向真实存放数据的地址块。
每一行的数据是连续的地址，但是行与行之间的地址就不一定连续了。这一点很重要，后面会用到。

2.1.2 知识点二 -- CPU的缓存机制

CPU架构是会演进的，高低端的参数也不一定相同。但我们毕竟不是CPU的制造者，不必每一个CPU都去细扣，我们只需要理解他的原理，在适当的时候做一些抽象方便理解就可以了。
下图是我当前Mac的CPU参数，大家需要注意2个东西，L2缓存、L3缓存。这2个参数就是影响我们今天讨论的性能的主要因素。
下面是各个缓存的CPU的访问时间：
缓存速率表
类型
缓存什么
延迟（周期数）
CPU寄存器
4字节或8字节
0
L1高速缓存
64字节块
4
L2高速缓存
64字节块
10
L3高速缓存
64字节块
50
虚拟内存/缓冲区缓存（主存）
4KB页
200

L1 、L2、L3、主存 的大小是逐渐增大，速度是逐渐减小的。

下面是现代CPU的一个架构示意图：
其中：
Regs，是寄存器。
d-cache，是数据缓存。
i-cache，是指令缓存。本次我们并不讨论这个缓存快的影响。
L1、L2、L3和主存的缓存的内容，可以参考下图：
图片来自：https://www.deskdecode.com/what-is-cpu-central-processing-unit-and-how-its-work/
CPU的缓存里面还有很多的细节，我就先忽略了，知道上面的信息就已经足够我们理解今天的问题了。

2.2 性能损失的原因 -- 缓存命中率

有了上面的各级别的缓存参考之后，我们可以想象一下，如果把上面的图像换成是我们的二维数组呢。是不是就是下面这样（可能没有那么严谨，但是不妨碍我们理解）。
在RAM（主存）的数据是这样的：
L3缓存就是这样的（红色框选中部分）：
L2缓存就是这样的（红色框选中部分）：
有了这个这些层级的缓存之后，CPU在计算的时候就可以不用来回的到速度极慢的RAM（主存）中去找数组的数据了。

2.2.1 友好的遍历方式

假设上面的数据的变量名称是A，成员使用 a 来表述。
我们取数据按照 从左到右，再从上到下 的顺序来进行遍历。
对于L2缓存来说，
第一次获取数据 a11（“1”）的时候其实是没有数据的，所以会耗时去把 a11，a12，a13（“1，2，3”）都取回来缓存起来。
当第二次取 a12、a13的时候候就直接从L2缓存取了。这样 cache 命中率就是 66.7%.
对于L3的情况类似。
这样的遍历方式对于CPU来说是一个很友好且高效的。 
C代码块 就是这种横向优先的访问方式。 
A代码块 里面对 arrays_A 的方式是横向优先遍历的，但是在处理 arrays_B 的时候就是纵向遍历的（也就是下面即将提到的方式）。 
B代码块 所有的访问都是纵向的（不友好的遍历方式）。因为发挥不出CPU缓存的效果，所以性能最差。

2.2.2 不友好的遍历方式

从上到下，再从左到右。
为啥这是一个不好的遍历方式呢？
这个得结合上一节Java的二维数组的存储结构一起看。再来回顾一下：
从上面的存储的结构图来看，其实 a11，a12，a13 与 a21，a22，a23 行与行之间并不是连续的。所以对于L1、L2、L3缓存来说很有可能是不能一起被缓存的（这里用了可能，具体得看L1、L2、L3的容量和数组的大小）。虽然是可能，但是通常都不会一起出现。
有了这个知识之后，我们再来看，先从上到下，再从左到右的顺序的缓存命中率。
第一次，获取 a11，但是缓存里面没有，找到 a11 之后就把 a11，a12，a13 缓存下来了。
第二次，获取 a21，但是缓存里面没有，找到 a21 之后就把 a21，a22，a23  缓存下来了，假设有CPU有两行的缓存空间。
第三次，获取 a31，但是缓存里面没有，找到 a31 之后把 a31，a32，a33  缓存下来，并且把 a11，a12，a13  替换掉（缓存的空间有限，虽然具体的替换策略有很多种，并且还和数据本身的Hash有关系，这里就假设把第一次的结果覆盖了）。
后面的逻辑重复之前的步骤。最后得到的缓存命中率就是 0% 。
结合文章开头的缓存速率表格，我们就不难发现，如果我们每次都不命中缓存的话，那么延迟带来的耗时将会相差一个数量级。

三、总结

再来回顾一下我们之前的问题。
C代码块 是横向优先的访问方式。 
A代码块 里面对 arrays_A 的方式是横向顺序访问的，但是在处理 arrays_B 的时候就是纵向遍历的。 
B代码块 所有的访问都是纵向的（不友好的遍历方式）。因为发挥不出CPU缓存的效果，所以性能最差。
Java的二维数组在内存里面是行连续的，但是行与行之间不一定连续。CPU在缓存大小有限的情况下，不可能把所有的数据都缓存下来。再加上每一层级访问速度的硬件限制，就导致了上面的性能结果。
相信大家也和我一样，知道原理之后，也不是那么迷惑了。
在实际的业务环境中，我们不一定能遇到这种纯计算的场景。但是我们还是应该尽量顺序访问数据，不管是什么样的数据。投其所好，方能够优化代码性能。
其次，我们在访问数据的时候，还是需要了解各种语言背后实际的存储结构和CPU的缓存原理，本次是讲述的是Java，但是这个思想其他语言其实也是受用的。

四、附件

4.1 运行的环境

系统参数：
JMH version: 1.36VM version: JDK 11.0.13, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 11.0.13+10-LTS-370
型号名称：MacBook Pro型号标识符：MacBookPro15,2处理器名称：四核Intel Core i5处理器速度：2.4 GHz处理器数目：1核总数：4L2缓存（每个核）：256 KBL3缓存：6 MB超线程技术：已启用内存：16 GB系统固件版本：1715.60.5.0.0 (iBridge: 19.16.10647.0.0,0)


4.2 整个benchmark的java代码

ArrayTestBenchmark
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
/** * 矩阵 C = AB 的计算 * * @author wzj * @date 2023/02/09 */@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)@State(value = Scope.Benchmark)// 预热3次@Warmup(iterations = 3, time = 1)// 循环 10 次@Measurement(iterations = 10, time = 1)public class ArrayTestBenchmark {
    private final int N = 1000;
    private final int[][] arrays_A = new int[N][N];    private final int[][] arrays_B = new int[N][N];
    @Setup    public void setUp() {        for (int i = 0; i < N; i++) {            for (int j = 0; j < N; j++) {                arrays_A[i][j] = i + j;                arrays_B[i][j] = i + j;            }        }    }

    @Benchmark    public void ijk() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int i = 0; i < N; i++) {            for (int j = 0; j < N; j++) {                int sum = 0;                for (int k = 0; k < N; k++) {                    sum += arrays_A[i][k] * arrays_B[k][j];                }                arrays_C[i][j] += sum;            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }
    @Benchmark    public void jik() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int j = 0; j < N; j++) {            for (int i = 0; i < N; i++) {                int sum = 0;                for (int k = 0; k < N; k++) {                    sum += arrays_A[i][k] * arrays_B[k][j];                }                arrays_C[i][j] += sum;            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }
    @Benchmark    public void jki() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int j = 0; j < N; j++) {            for (int k = 0; k < N; k++) {                int r_B = arrays_B[k][j];                for (int i = 0; i < N; i++) {                    arrays_C[i][j] += arrays_A[i][k] * r_B;                }            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }
    @Benchmark    public void kji() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int k = 0; k < N; k++) {            for (int j = 0; j < N; j++) {                int r_B = arrays_B[k][j];                for (int i = 0; i < N; i++) {                    arrays_C[i][j] += arrays_A[i][k] * r_B;                }            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }
    @Benchmark    public void kij() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int k = 0; k < N; k++) {            for (int i = 0; i < N; i++) {                int r_A = arrays_A[k][i];                for (int j = 0; j < N; j++) {                    arrays_C[i][j] += r_A * arrays_B[k][j];                }            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }
    @Benchmark    public void ikj() {        final int[][] arrays_C = new int[N][N];        for (int i = 0; i < N; i++) {            for (int k = 0; k < N; k++) {                int r_A = arrays_A[k][i];                for (int j = 0; j < N; j++) {                    arrays_C[i][j] += r_A * arrays_B[k][j];                }            }        }        assert arrays_C.length > 0;    }}

4.3 多次运行benchmark的结果

benchmark的结果收集表格
代码
500
600
700
800
900
1000
1100
A_ijk
0.158
0.297
0.499
0.78
1.248
1.741
2.78
A_jik
0.151
0.297
0.495
0.781
1.195
1.714
2.971
B_jki
0.338
0.696
1.446
2.971
6.363
10.368
14.191
B_kji
0.338
0.684
1.347
2.775
6.3
10.02
13.819
C_kij
0.013
0.025
0.041
0.061
0.087
0.131
0.198
C_ikj
0.016
0.03
0.046
0.083
0.115
0.174
0.251

引用：

  1. 《深入理解计算机操作系统》
  2. 《深入理解Java虚拟机》

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来源: qq
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