我是一個CPU：這個世界慢！死！了！
最為我們熟知的關於電腦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性能做出量化的說明和解釋。
希望你看完這篇文章能明白兩件事情：磁片和網路真的很慢，性能優化是個複雜的系統性的活。
注：所有的資料都是來自網路。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。
數 據
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（現在很多個人電腦的主頻要比這個高，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。
一級緩存讀取時間為 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。這裡能看出緩存的重要性，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，
二級緩存時間就比較久了，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緩存沒有命中，然後去二級緩存讀取資料，時間差了一個數量級。
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，
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，需要的時候很更多。
一次 CPU 上下文切換（系統調用）需要大約 1500ns，也就是 1.5us（這個數字參考了其他文章
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 讀點數據，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 設備 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 設備的讀寫，把最常用的資料放到記憶體中作為緩存是所有程式的通識。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。如果你的程式有段代碼需要和資料中心的其他伺服器交互，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，是性能優化的一大課題。
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，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片的表現。
磁片定址時間為 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 需要讓磁片泡杯咖啡，在它眼裡，磁片去生了個孩子，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) 來評估磁片的性能：RPM 越大，平均定址時間更短，磁片性能越好。定址只是把磁頭移動到正確的磁軌上，然後才能讀取指定磁區的內容。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（讀取磁片內容）。
從磁片讀取 1MB 連續資料需要 20ms，換算成人類時間是 20個月。IO 設備是電腦系統的瓶頸，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CDN
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，我想到了約伯斯要死命優化 Mac 系統開機啟動時間
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。
參考資料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 讀點數據，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 設備 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 設備的讀寫，把最常用的資料放到記憶體中作為緩存是所有程式的通識。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。如果你的程式有段代碼需要和資料中心的其他伺服器交互，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，是性能優化的一大課題。
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，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片的表現。
磁片定址時間為 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 需要讓磁片泡杯咖啡，在它眼裡，磁片去生了個孩子，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) 來評估磁片的性能：RPM 越大，平均定址時間更短，磁片性能越好。定址只是把磁頭移動到正確的磁軌上，然後才能讀取指定磁區的內容。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（讀取磁片內容）。
從磁片讀取 1MB 連續資料需要 20ms，換算成人類時間是 20個月。IO 設備是電腦系統的瓶頸，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CDN
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，我想到了約伯斯要死命優化 Mac 系統開機啟動時間
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。
參考資料