1. 什么是 CPI ？
本小节讲述为什么使用 CPI 分析程序性能的意义。如果已经非常了解 CPI 对分析程序性能的意义，可以跳过本小节的阅读。
1.1 程序怎么样才能跑得快 ？
理解什么是 CPI，首先让我们思考一个问题：在一个给定的处理器上，如何才能让程序跑得更快呢？
假设程序跑得快慢的标准是程序的执行时间，那么程序执行的快慢，就可以用如下公式来表示：
程序执行时间 = 程序总指令数 x 每 CPU 时钟周期时间 x 每指令执行所需平均时钟周期数
因此，要想程序跑得快，即减少程序执行时间，我们就需要在以下三个方面下功夫：
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减少程序总指令数
要减少程序执行的总指令数，可能有以下手段：
- 算法优化；好的算法设计，可能带来更少的指令执行数
- 更高效的编译器或者解释器；新的编译器或者解释器，可能对同样的源代码，生成更少的机器码。
- 用更底层的语言优化；这是为何 Linux 内核代码使用 C 语言，并且还喜欢内联汇编。
- 更新的处理器指令；新的处理器指令，对处理某类特殊目的运算更有帮助，而新版本编译器最重要的工作就是，在新的处理器上，用最新的高效指令；例如，x86 SSE，AVX 指令。
- 减少每 CPU 时钟周期时间
这一点很容易理解，缩短 CPU 时钟周期的时间，实际上就是要提高 CPU 的主频。这正是 Intel 过去占无不胜的法宝之一。今天，由于主频的提高已经到了制造工艺的极限，CPU 时钟周期的时间很难再继续降低了。
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减少每指令执行所需平均时钟周期数
如何减少每指令执行所需平均 CPU 时钟周期数呢？让我们先从 CPU 设计角度看一下：
- 标量处理器 (Scalar Processor) ；一个 CPU 时钟周期只能执行一条指令；
- 超标量处理器 (Superscalar Processor)；一个 CPU 时钟周期可以执行多条指令；通常这个是靠在处理器里实现多级流水线 (Pipeline) 来实现的。
因此不难看出，如果使用支持超标量处理器的 CPU，利用 CPU 流水线提高指令并行度，那么就可以达到我们的目的了。流水线的并行度越高，执行效率越高，那么每指令执行所需平均时钟周期数就会越低。