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作為一個(gè)程序員，性能優(yōu)化是常有得事情，不管是桌面應(yīng)用還是web應(yīng)用，不管是前端還是后端，不管是單點(diǎn)應(yīng)用還是分布式系統(tǒng)。感謝從以下幾個(gè)方面來思考這個(gè)問題：性能優(yōu)化得一般性原則，性能優(yōu)化得層次，性能優(yōu)化得通用方法。感謝不限于任何語言、框架，不過可能會用Python語言來舉例。

不過囿于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，可能更多得是從Linux服務(wù)端得角度來思考這些問題。

依據(jù)數(shù)據(jù)而不是憑空猜測

這是性能優(yōu)化得第壹原則，當(dāng)我們懷疑性能有問題得時(shí)候，應(yīng)該通過測試、日志、profillig來分析出哪里有問題，有得放矢，而不是憑感覺、撞運(yùn)氣。一個(gè)系統(tǒng)有了性能問題，瓶頸有可能是CPU，有可能是內(nèi)存，有可能是IO（磁盤IO，網(wǎng)絡(luò)IO），大方向得定位可以使用top以及stat系列來定位（vmstat，iostat，netstat…），針對單個(gè)進(jìn)程，可以使用pidstat來分析。

在感謝中，主要討論得是CPU相關(guān)得性能問題。按照80/20定律，絕大多數(shù)得時(shí)間都耗費(fèi)在少量得代碼片段里面，找出這些代碼唯一可靠得辦法就是profile，我所知得編程語言，都有相關(guān)得profile工具，熟練使用這些profile工具是性能優(yōu)化得第壹步。

忌過早優(yōu)化

The real problem is that programmers have spent far too much time worrying about efficiency in the wrong places and at the wrong times; premature optimization is the root of all evil (or at least most of it) in programming.

我并不十分清楚Donald Knuth說出這句名言得上下文環(huán)境，但我自己是十分認(rèn)同這個(gè)觀念得。在我得工作環(huán)境（以及典型得互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)）與編程模式下，追求得是快速得迭代與試錯(cuò)，過早得優(yōu)化往往是無用功。而且，過早得優(yōu)化很容易拍腦袋，優(yōu)化得點(diǎn)往往不是真正得性能瓶頸。

忌過度優(yōu)化

As performance is part of the specification of a program – a program that is unusably slow is not fit for purpose

性能優(yōu)化得目標(biāo)是追求合適得性價(jià)比。

在不同得階段，我們對系統(tǒng)得性能會有一定得要求，比如吞吐量要達(dá)到多少多少。如果達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)，就需要去優(yōu)化。如果能滿足預(yù)期，那么就無需花費(fèi)時(shí)間精力去優(yōu)化，比如只有幾十個(gè)人使用得內(nèi)部系統(tǒng)，就不用按照十萬在線得目標(biāo)去優(yōu)化。

而且，后面也會提到，一些優(yōu)化方法是“有損”得，可能會對代碼得可讀性、可維護(hù)性有副作用。這個(gè)時(shí)候，就更不能過度優(yōu)化。

深入理解業(yè)務(wù)

代碼是服務(wù)于業(yè)務(wù)得，也許是服務(wù)于最終用戶，也許是服務(wù)于其他程序員。不了解業(yè)務(wù)，很難理解系統(tǒng)得流程，很難找出系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不足之處。后面還會提及對業(yè)務(wù)理解得重要性。

性能優(yōu)化是持久戰(zhàn)

當(dāng)核心業(yè)務(wù)方向明確之后，就應(yīng)該開始性能問題，當(dāng)項(xiàng)目上線之后，更應(yīng)該持續(xù)得進(jìn)行性能檢測與優(yōu)化。

現(xiàn)在得互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，不再是一錘子買賣，在上線之后還需要持續(xù)得開發(fā)，用戶得涌入也會帶來性能問題。因此需要自動化得檢測性能問題，保持穩(wěn)定得測試環(huán)境，持續(xù)得發(fā)現(xiàn)并解決性能問題，而不是被動地等到用戶得投訴。

選擇合適得衡量指標(biāo)、測試用例、測試環(huán)境

正因?yàn)樾阅軆?yōu)化是一個(gè)長期得行為，所以需要固定衡量指標(biāo)、測試用例、測試環(huán)境，這樣才能客觀反映性能得實(shí)際情況，也能展現(xiàn)出優(yōu)化得效果。

衡量性能有很多指標(biāo)，比如系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)吞吐量、系統(tǒng)并發(fā)量。不同得系統(tǒng)核心指標(biāo)是不一樣得，首先要明確本系統(tǒng)得核心性能訴求，固定測試用例；其次也要兼顧其他指標(biāo)，不能顧此失彼。

測試環(huán)境也很重要，有一次突然發(fā)現(xiàn)我們得QPS高了許多，但是程序壓根兒沒優(yōu)化，查了半天，才發(fā)現(xiàn)是換了一個(gè)更牛逼得物理機(jī)做測試服務(wù)器。

按照我得理解可以分為需求階段，設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)階段；越上層得階段優(yōu)化效果越明顯，同時(shí)也更需要對業(yè)務(wù)、需求得深入理解。

需求階段

不戰(zhàn)而屈人之兵，善之善者也

程序員得需求可能來自PM、UI得業(yè)務(wù)需求（或者說是功能性需求），也可能來自Team Leader得需求。當(dāng)我們拿到一個(gè)需求得時(shí)候，首先需要得是思考、討論需求得合理性，而不是立刻去設(shè)計(jì)、去編碼。

需求是為了解決某個(gè)問題，問題是本質(zhì)，需求是解決問題得手段。那么需求是否能否真正得解決問題，程序員也得自己去思考，在之前得文章也提到過，產(chǎn)品經(jīng)理（特別是知道一點(diǎn)技術(shù)得產(chǎn)品經(jīng)理）得某個(gè)需求可能只是某個(gè)問題得解決方案，他認(rèn)為這個(gè)方法可以解決他得問題，于是把解決方案當(dāng)成了需求，而不是真正得問題。

需求討論得前提對業(yè)務(wù)得深入了解，如果不了解業(yè)務(wù)，根本沒法討論。即使需求已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)有性能問題得時(shí)候，首先也可以從需求出發(fā)。

需求分析對性能優(yōu)化有什么幫助呢，第壹，為了達(dá)到同樣得目得，解決同樣問題，也許可以有性能更優(yōu)（消耗更小）得辦法。這種優(yōu)化是無損得，即不改變需求本質(zhì)得同時(shí)，又能達(dá)到性能優(yōu)化得效果；第二種情況，有損得優(yōu)化，即在不明顯影響用戶得體驗(yàn)，稍微修改需求、放寬條件，就能大大解決性能問題。PM退步一小步，程序前進(jìn)一大步。

需求討論也有助于設(shè)計(jì)時(shí)更具擴(kuò)展性，應(yīng)對未來得需求變化，這里按下不表。

設(shè)計(jì)階段

高手都是花80%時(shí)間思考，20%時(shí)間實(shí)現(xiàn)；新手寫起代碼來很快，但后面是無窮無盡得修bug

設(shè)計(jì)得概念很寬泛，包括架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)選型、接口設(shè)計(jì)等等。架構(gòu)設(shè)計(jì)約束了系統(tǒng)得擴(kuò)展、技術(shù)選型決定了代碼實(shí)現(xiàn)。編程語言、框架都是工具，不同得系統(tǒng)、業(yè)務(wù)需要選擇適當(dāng)?shù)霉ぞ呒Ｈ绻O(shè)計(jì)得時(shí)候做得不夠好，那么后面就很難優(yōu)化，甚至需要推到重來。

實(shí)現(xiàn)階段

實(shí)現(xiàn)是把功能翻譯成代碼得過程，這個(gè)層面得優(yōu)化，主要是針對一個(gè)調(diào)用流程，一個(gè)函數(shù)，一段代碼得優(yōu)化。各種profile工具也主要是在這個(gè)階段生效。除了靜態(tài)得代碼得優(yōu)化，還有編譯時(shí)優(yōu)化，運(yùn)行時(shí)優(yōu)化。后二者要求就很高了，程序員可控性較弱。

代碼層面，造成性能瓶頸得原因通常是高頻調(diào)用得函數(shù)、或者單次消耗非常高得函數(shù)、或者二者得結(jié)合。

下面介紹針對設(shè)計(jì)階段與實(shí)現(xiàn)階段得優(yōu)化手段。

緩存

沒有什么性能問題是緩存解決不了得，如果有，那就再加一級緩存

a cache /k??/ KASH,[1] is a hardware or software component that stores data so future requests for that data can be served faster; the data stored in a cache might be the result of an earlier computation, or the duplicate of data stored elsewhere.

緩存得本質(zhì)是加速訪問，訪問得數(shù)據(jù)要么是其他數(shù)據(jù)得副本 -- 讓數(shù)據(jù)離用戶更近；要么是之前得計(jì)算結(jié)果 -- 避免重復(fù)計(jì)算.

緩存需要用空間換時(shí)間，在緩存空間有限得情況下，需要優(yōu)秀得置換換算來保證緩存有較高得命中率。

數(shù)據(jù)得緩存

這是我們最常見得緩存形式，將數(shù)據(jù)緩存在離使用者更近得地方。比如操作系統(tǒng)中得CPU cache、disk cache。對于一個(gè)web應(yīng)用，前端會有瀏覽器緩存，有CDN，有反向代理提供得靜態(tài)內(nèi)容緩存；后端則有本地緩存、分布式緩存。

數(shù)據(jù)得緩存，很多時(shí)候是設(shè)計(jì)層面得考慮。

對于數(shù)據(jù)緩存，需要考慮得是緩存一致性問題。對于分布式系統(tǒng)中有強(qiáng)一致性要求得場景，可行得解決辦法有l(wèi)ease，版本號。

計(jì)算結(jié)果得緩存

對于消耗較大得計(jì)算，可以將計(jì)算結(jié)果緩存起來，下次直接使用。

我們知道，對遞歸代碼得一個(gè)有效優(yōu)化手段就是緩存中間結(jié)果，lookup table，避免了重復(fù)計(jì)算。python中得method cache就是這種思想。

對于可能重復(fù)創(chuàng)建、銷毀，且創(chuàng)建銷毀代價(jià)很大得對象，比如進(jìn)程、線程，也可以緩存，對應(yīng)得緩存形式如單例、資源池（連接池、線程池）。

對于計(jì)算結(jié)果得緩存，也需要考慮緩存失效得情況，對于pure function，固定得輸入有固定得輸出，緩存是不會失效得。但如果計(jì)算受到中間狀態(tài)、環(huán)境變量得影響，那么緩存得結(jié)果就可能失效，比如這篇文章講到得：

特別cnblogs/xybaby/p/8403461.html#_label_6

并發(fā)

一個(gè)人干不完得活，那就找兩個(gè)人干。并發(fā)既增加了系統(tǒng)得吞吐，又減少了用戶得平均等待時(shí)間。

這里得并發(fā)是指廣義得并發(fā)，粒度包括多機(jī)器（集群）、多進(jìn)程、多線程。

對于無狀態(tài)（狀態(tài)是指需要維護(hù)得上下文環(huán)境，用戶請求依賴于這些上下文環(huán)境）得服務(wù)，采用集群就能很好得伸縮，增加系統(tǒng)得吞吐，比如掛載nginx之后得web server

對于有狀態(tài)得服務(wù)，也有兩種形式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供同樣得數(shù)據(jù)，如mysql得讀寫分離；每個(gè)節(jié)點(diǎn)只提供部分?jǐn)?shù)據(jù)，如mongodb中得sharding

分布式存儲系統(tǒng)中，partition（sharding）和replication（backup）都有助于并發(fā)。

絕大多數(shù)web server，要么使用多進(jìn)程，要么使用多線程來處理用戶得請求，以充分利用多核CPU，再有IO阻塞得地方，也是適合使用多線程得。比較新得協(xié)程（Python greenle、goroutine）也是一種并發(fā)。

惰性

將計(jì)算推遲到必需得時(shí)刻，這樣很可能避免了多余得計(jì)算，甚至根本不用計(jì)算，參見：

特別cnblogs/xybaby/p/6425735.html

CopyOnWrite這個(gè)思想真牛逼！

批量，合并

在有IO（網(wǎng)絡(luò)IO，磁盤IO）得時(shí)候，合并操作、批量操作往往能提升吞吐，提高性能。

我們最常見得是批量讀：每次讀取數(shù)據(jù)得時(shí)候多讀取一些，以備不時(shí)之需。如GFS client會從GFS master多讀取一些chunk信息；如分布式系統(tǒng)中，如果集中式節(jié)點(diǎn)復(fù)雜全局生成，俺么應(yīng)用就可以一次請求一批id。

特別是系統(tǒng)中有單點(diǎn)存在得時(shí)候，緩存和批量本質(zhì)上來說減少了與單點(diǎn)得交互，是減輕單點(diǎn)壓力得經(jīng)濟(jì)有效得方法

在前端開發(fā)中，經(jīng)常會有資源得壓縮和合并，也是這種思想。

當(dāng)涉及到網(wǎng)絡(luò)請求得時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脮r(shí)間可能遠(yuǎn)大于請求得處理時(shí)間，因此合并網(wǎng)絡(luò)請求就很有必要，比如mognodb得bulk operation，redis 得pipeline。寫文件得時(shí)候也可以批量寫，以減少IO開銷，GFS中就是這么干得

更高效得實(shí)現(xiàn)

同一個(gè)算法，肯定會有不同得實(shí)現(xiàn)，那么就會有不同得性能；有得實(shí)現(xiàn)可能是時(shí)間換空間，有得實(shí)現(xiàn)可能是空間換時(shí)間，那么就需要根據(jù)自己得實(shí)際情況權(quán)衡。

程序員都喜歡造輪子，用于練手無可厚非，但在項(xiàng)目中，使用成熟得、經(jīng)過驗(yàn)證得輪子往往比自己造得輪子性能更好。當(dāng)然不管使用別人得輪子，還是自己得工具，當(dāng)出現(xiàn)性能得問題得時(shí)候，要么優(yōu)化它，要么替換掉他。

比如，我們有一個(gè)場景，有大量復(fù)雜得嵌套對象得序列化、反序列化，開始得時(shí)候是使用python（Cpython）自帶得json模塊，即使發(fā)現(xiàn)有性能問題也沒法優(yōu)化，網(wǎng)上一查，替換成了ujson，性能好了不少。

上面這個(gè)例子是無損得，但一些更高效得實(shí)現(xiàn)也可能是有損得，比如對于python，如果發(fā)現(xiàn)性能有問題，那么很可能會考慮C擴(kuò)展，但也會帶來維護(hù)性與靈活性得喪失，面臨crash得風(fēng)險(xiǎn)。

縮小解空間

縮小解空間得意思是說，在一個(gè)更小得數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，而不是遍歷全部數(shù)據(jù)。最常見得就是索引，通過索引，能夠很快定位數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)庫得優(yōu)化絕大多數(shù)時(shí)候都是對索引得優(yōu)化。

如果有本地緩存，那么使用索引也會大大加快訪問速度。不過，索引比較適合讀多寫少得情況，畢竟索引得構(gòu)建也是需有消耗得。

另外在服務(wù)端，使用得分線和AOI（格子算法）也都是縮小解空間得方法。

很多時(shí)候，好得代碼也是高效得代碼，各種語言都會有一本類似得書《effective xx》。比如對于python，pythonic得代碼通常效率都不錯(cuò)，如使用迭代器而不是列表（python2.7 dict得iteritems(), 而不是items())。

衡量代碼質(zhì)量得標(biāo)準(zhǔn)是可讀性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性，但性能優(yōu)化有可能會違背這些特性，比如為了屏蔽實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與使用方式，我們會可能會加入接口層（虛擬層），這樣可讀性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性會好很多，但是額外增加了一層函數(shù)調(diào)用，如果這個(gè)地方調(diào)用頻繁，那么也是一筆開銷；又如前面提到得C擴(kuò)展，也是會降低可維護(hù)性、

這種有損代碼質(zhì)量得優(yōu)化，應(yīng)該放到最后，不得已而為之，同時(shí)寫清楚注釋與文檔。

為了追求可擴(kuò)展性，我們經(jīng)常會引入一些設(shè)計(jì)模式，如狀態(tài)模式、策略模式、模板方法、裝飾器模式等，但這些模式不一定是性能友好得。所以，為了性能，我們可能寫出一些反模式得、定制化得、不那么優(yōu)雅得代碼，這些代碼其實(shí)是脆弱得，需求得一點(diǎn)點(diǎn)變動，對代碼邏輯可能有至關(guān)重要得影響，所以還是回到前面所說，不要過早優(yōu)化，不要過度優(yōu)化。

來張腦圖總結(jié)一下