行业新闻

您当前的位置： 首页 > 开丰资讯 > 行业新闻

CPU算法性能分析与优化总结

点击数：     更新时间：2024-04-29 03:41:03

在深度学习等算法部署到工程端时，通常会遇到诸多性能瓶颈问题，这些性能瓶颈通常可以分为CPU、GPU两部分模块来分析，本篇简单总结下CPU端的性能分析与优化经验。首先介绍一些CPU的基础知识，然后是如何分析性能，最后提供一些实际工程中的经验。

先介绍下CPU的基本知识，CPU即Central Processing Unit（中央处理单元），主要由运算器、控制器、寄存器组合内部总线组成。

运算器：执行部件，受控制器命令而执行动作，完成各种算数与逻辑运算。

控制器：控制整个CPU的动作，不仅要保证程序正确执行，还要能够处理异常事件。

寄存器：CPU内部的一些小型存储区域，用来暂时存参与运算的数据和运算结果。主要有指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）等。

指令集：每款CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统，我们称为指令集（ISA，Instruction Set Architecture），是CPU执行计算任务时遵从的规范。我们写的C++等程序在使用G++等编译器编译后，就会生成指令集可识别的CPU指令。

指令是计算机运行的最小的功能单位，根据指令的复杂程度，一般可以分为复杂指令集和精简指令集两种：

复杂指令集：CISC，指令系统较为复杂，指令字长不固定，更加全能，常见在各种PC中。代表指令集有X86、AVX。

精简指令集：RISC，指令系统简单，指令字长固定，功耗少。代表指令集有ARM（AdvancedRISCMachine），MIPS。ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例。

AVX（Advanced Vector Extension，高级矢量扩展）：无论CPU有多快，X86指令也只能单指令单数据。而AVX 聚焦矢量运算，很快形成了一套完整的单指令多数据（SIMD）指令集规范，在2013年，intel发布了AVX-512指令集，指令宽度扩展为 512bit，每个时钟周期内可打包 32 次双精度或 64 次单精度浮点运算。

微架构（Microarchitecture）：指令集可以看做是CPU遵守的语言标准，而具体的CPU指令集实现，我们称为微架构。例如i7-4770的核心是Haswell微架构，兼容x86指令集。微架构的设计技术含量极高，业界一般认为只有具备独立微架构研发能力的企业才算具备了CPU研发能力。例如，华为的海思920、三星Exynos 5430，是受ARM授权，由ARM开发的微架构组装成的芯片，只能说是“使用ARM Cortex-A15核心的芯片”；而高通骁龙800、苹果A7是采用了ARM的指令集，微架构则是自主研发的。

多CPU VS 多核：在多并发任务中，多核CPU的并行性能通常要比多CPU好，与之带来的是多核CPU的造价成本高，目前高性能服务器通常会1个CPU会搭载8核、16核等。这是因为每个CPU都需要有自己的电路支持、自己的Cache，他们之间通过板上的总线进行通信，通信代价大，而多核单CPU只需要一套芯片组，一套存储，多核之间通过芯片内部总线进行通信，共享使用内存，通信方便。

多进程与多线程：线程是CPU调度分配的最小单位，进程是CPU分配资源的最小单位。属于同一进程的不同线程会共享进程内存空间中的全局区和堆，而私有的线程空间则主要包括栈和寄存器，对这些共享变量进行访问时，如果要保证线程安全，则必须通过加锁的方式。多进程间通信可以通过socket、pipe、消息队列等实现。多进程的开销较大，但每个进程之间独立，也相对安全些。

缓存（cache）：CPU每秒可处理十亿级别指令，而内存一般访问速度为每秒几十兆，如果每次CPU访问数据都去内存中获取，则会受限于内存的速度，因此在CPU中有一种高速存储器缓存，在内存与CPU中充当媒介，加速CPU的数据获取。

CPU缓存通常可分为三级：一级缓存，即L1 Cache，集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。一般L1缓存的容量通常在32-256KB。二级缓存，即L2 Cache，由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。三级缓存最慢，为所有core共享，大小一般为几十MB。

CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2、L3寻找，然后是内存，再后是外存储器。现在普通台式机CPU的L2缓存一般为128KB到2MB或者更高，笔记本、服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存。最高可达1MB-3MB制造工艺。现在所使用的CPU制造工艺一般是0.13um、0.09um，随着工艺水平的进入，目前已经提高到64纳米。

性能：X86架构比ARM结构在性能方面要快得多、强得多。X86的CPU主频基本都在1G、2G以上，并伴有双核、四核、八核等，通常使用45nm或更高制程的工艺进行生产；而ARM CPU通常主频更低。从指令集设计思路出发，也可以看出X86强在复杂、综合性任务场景，而在一些任务相对固定的应用场合，ARM的优势就能发挥得淋漓尽致。

兼容扩展性：X86 CPU采用“桥”方式与内存、硬盘等外接设备进行连接，对已有的X86电脑，我们可以很容易增加内存条、硬盘来扩展性能，且由微软、intel组成的wintel联盟垄断了个人电脑长达三十多年，平台的统一就导致了很强的兼容性，有大量兼容的第三方软件可供使用。ARM CPU采用专用数据接口与外设连接，扩展内存、存储较难，奉行“够用就好”，且几乎都采用了Linux系统，硬件平台通常需要自己搭建系统，兼容性较差。

功耗：X86的设计思路是性能与速度，高频多核的设计也使得其功耗一直居高不下。而ARM最为明显的优势就是低功耗，这也使其在手机、各类智能终端、专用设备中拥有大量的应用

工欲善其事，必先利其器，在提升程序性能之前，我们首先要利用一系列工具来分析当前CPU、内存的状态，下面介绍几种常用工具：

top：动态展示系统整体资源和各个进程资源占用状况，最为常用；

vmstat：对操作系统的虚拟内存、进程、IO读写、CPU活动等整体情况进行统计；

sar：统计CPU、IO、内存、网卡流量等系统资源的使用信息；

/proc/cpuinfo：在linux系统中，/proc/cpuinfo里提供了CPU的一些基本信息，比如核数、运行频率等，对我们分析CPU状态非常有用。

perf：当我们要进行耗时分析时，除了在程序中打log统计时间，也可以利用perf工具从系统运行维度统计函数与so的耗时占比。Perf 是内置于 Linux 内核源码树中的性能剖析（profiling）工具，原理是每隔固定的时间，在CPU core上产生一个中断，看当前是哪个pid、函数、库在占用core，这样大量采样后命中次数就能代表该函数的时间占比了。

火焰图(flame graph)：为了直观分析性能，可以使用火焰图对perf采样到的数据进行归纳合并，形成调用栈的热点柱状图，如下图所示，这样哪些函数、库耗时较大就一目了然了。

1：睿频（turbo boost）

当程序性能遇到瓶颈时，首先可以分析下CPU当前的运行频率是否达到最大。Intel从2008年提出了睿频技术，能够动态调整CPU频率，在运行复杂任务时可以实现高于固定频率的睿频，对性能提升还是较为显著的。同时，CPU为了动态节能，也提供了如下图所示的很多种运行模式，将运行模式改为performance或者ondemand，能够极大提升程序性能：

#查看当前运行模式
cat /proc/cpuinfo | grep "model name\\|MHz" | head -n 2      
# 配置运行模式为performance
echo "performance" | sudo tee /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

2：提升缓存命中率、绑核

由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存的容量越大，存储的信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。

而在多核CPU上，进程有可能在多个核上来回切换运行，这样会大量使用L3缓存（多核共享）；而如果能将某一进程绑定到固定的核上，其L1、L2缓存的命中率就会显著提高。

在linux系统里，可以使用taskset命令来将程序绑定到固定core上：

taskset -c 3 command    # 将command启动的进程绑定到core 3上

当然，在代码中，尽可能不跳跃的访问连续内存数据，也可以提升缓存命中率。这是因为我们在访问某一个元素时，通常会把该元素前后多个数据一起load进缓存，这样如果连续访问数据的话，就能较多的命中缓存中的数据。

3：IPP加速opencv

当前计算机视觉的算法几乎离不开opencv，如果遇到了opencv算子的性能瓶颈，不妨尝试下IPP来加速opencv。IPP是Intel的集成性能基元库（Integrated Performance Primitives），opencv也曾由IPP的团队主持，多个主要开发者与IPP团队保持着不错的关系，OpenCV利用了IPP高度手工优化的代码来实现加速，使用IPP获得的提速是非常显著的。

OpenCV使用优化了的C和C++代码实现。它对IPP不存在任何依赖。但如果安装了IPP，那么OpenCV将会通过自动载入IPP动态链接库来获取IPP的优势，来提升速度。

4：硬件加速库：MKL（Math Kernel Library）

MKL是Intel推出的数据加速库，使用了OpenMP*实现了线程化，该算法库能够平均的分配数据和任务，充分利用CPU的core和处理器。

对于fft等矩阵运算操作，可以尝试使用MKL库来加速，很多情况下还是会比openblas、eigen性能好一些。

5：指令集AVX-512

在图像处理、数据分析领域中追求高性能时，如果没有GPU可用，不妨尝试下使用AVX-512指令集来进行算法的优化加速。

下篇会介绍些GPU端的性能优化方法~

有不严谨的地方还请批评指正~

reference：

• 上一篇:pytorch+Apex，面对多optimizer和多model如何使用
• 下一篇:去法国留学有什么优势／劣势吗？