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技術源于生活之流水線
發布時間:2019-09-29



不知你發現沒有,很多互聯網技術,都可以在生活中找到原型。舉個很簡單的例子,我們講多線程,可以想到做菜的時候,可以一邊炒菜一邊煮飯,就像CPU可以一邊下載文件一邊QQ聊天一樣,能顯著的提升效率。人們常說藝術來源于生活,主要靠想象力去創作。技術來源于生活,靠的則是一種抽象的能力。

為什么這么說呢?拿面向對象來說,現實里的一個實體,一只貓,程序里就可以抽象成一個對象,它有自己的一些屬性,比如年齡姓名,也有自己的一些能力,比如行走瞌睡,于是就可以響應別人發出的命令。這就是面向對象的精髓,把所有東西看做對象,對象能響應命令。到了程序世界里,一個按鈕,一個數據庫,都是對象,都有屬性和能力。這樣一想,是不是清楚多了?

當然今天不是講面向對象的,今天要講的是流水線技術,英文叫pipeline,跟我們生活中工廠里的流水線是一個意思。先看定義,流水線是指,在重復執行一項任務時,我們可以把它細分成很多小任務,讓這些小任務重疊執行,來提高整體的運行效率?,F在你去問程序員,什么是流水線,他第一時間想到的肯定是CPU每天在干的事情:執行指令的時候用到的技術。我們先舉個例子,然后再回過頭來看CPU是如何用流水線執行指令的。

打個比方,富士康組裝一臺iPhone,依次需要三道工序:裝屏幕、裝電池、上殼,分別由全蛋、小花和大寶三人負責。裝屏幕需要15分鐘,電池15分鐘,上殼半小時。算下來組裝一臺需要一個小時。那么問題是,組裝3臺需要多久?3個小時嗎?當然不是,他們采用流水線的工作方式:全蛋裝完第一臺的屏幕,交給小花裝電池,然后自己再去裝第二臺的屏幕。小花裝完第一臺的電池交給大寶,這段時間全蛋已經把第二臺的屏幕裝好了,那小花就可以繼續裝第二臺的電池。畫個圖表示一下:


稍微解釋一下,第二臺iPhone開始裝屏幕的時候,小花還在裝第一臺的電池。等全蛋開始裝第三臺的屏幕,大寶剛開始給第一臺上殼。算下來三臺一共是1.5小時,比不用流水線少了一半。

流水線的核心思想就是堅決不能讓工人們閑著。

CPU執行指令的時候,也是流水線的原理。首先它把一條指令的執行,拆分成五個部分:取指令、解碼、取數據,運算和寫結果。前三步由控制器來做,后兩步由運算器完成。那流水線模型用在這里就是,當控制前執行完一條指令的前三步之后,并不是等運算器執行完后兩部才繼續工作,而是馬上開始著手執行下一條指令的前三步。這樣所有指令一條一條進來,運算器和控制器同時工作,互不干擾,大大提高了CPU的運行速度。

流水線并不是CPU的專利,而是一種思想。再舉個例子,你現在拍了很多照片,準備上傳到朋友圈。每張圖片上傳到微信的服務器,程序上需要經過幾個步驟:先從你的sd卡上讀出來,然后壓縮,最后通過網絡上傳。第一步主要由sd卡來完成,速度取決于你的sd卡讀取速度。第二部由CPU來做,CPU越強速度越快。網絡上傳當然考驗的是你的網速。這樣一個流水線的模型就出來了。sd卡讀取完一張圖片交給CPU做壓縮,這時候sd卡不要閑著,可以立馬讀下一張。CPU做完壓縮交給網卡上傳,就可以進行下一張的壓縮了。整個過程就像流水一樣,源源不斷,提升了效率。

現在你應該對流水線是如何工作的有了一個大體的了解,然而流水線還面臨一些問題。全蛋開開心心的裝完第一臺的屏幕的時候準備以流水線的方式裝第二臺屏幕,突然發現螺絲刀還在大寶那里裝第一臺的殼子。說白了就是任務之間有相關性。還有,CPU在執行指令的時候,往往并不能提前確定下一條指令是什么,比如一個判斷條件,滿足的話執行A,不滿足的話執行B,這樣就不能用流水線來工作了。

諸如此類的問題還有很多,如何解決的,限于篇幅我們后面再看。不過技術畢竟源于生活,辦法你肯定知道,只是需要抽象出來,才能用到技術里。


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