Hongyi LU

Hongyi LU

Ph.D candidate

性能分析方法的书

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以下均为领域内公认的经典资料，非原创整理。

微架构 & 底层调优 — 必读资料

📄 What Every Programmer Should Know About Memory

  • 作者： Ulrich Drepper, 2007 · 114 页
  • 类型： 免费 PDF
  • 链接： https://people.freebsd.org/~lstewart/articles/cpumemory.pdf
  • 标签： Cache TLB Prefetch NUMA
  • 简评： 内存子系统最权威的入门文章。从 DRAM 物理原理讲到 cache 层级、TLB、预取器、NUMA，每个 section 都有可复现的 benchmark 代码。必读。
  • 阅读建议： 重点精读 §3（CPU Cache）和 §4（Virtual Memory），§2 DRAM 原理可快速扫读。

📄 Agner Fog Optimization Manuals（5 卷）

  • 作者： Agner Fog · 持续更新至 2025
  • 类型： 免费 PDF
  • 链接： https://www.agner.org/optimize/
  • 标签： Branch Prediction Pipeline SIMD Instruction Latency
  • 简评： x86 优化的圣经。Vol.1 C++ 优化；Vol.3 Intel/AMD 微架构详解（流水线、分支预测、乱序执行）；Vol.4 指令延迟/吞吐量表格。
  • 阅读建议： Vol.3 microarchitecture.pdf 是理解 BTB、分支预测器的权威来源，结合 Godbolt 验证汇编食用。

📚 Computer Systems: A Programmer’s Perspective (CS:APP)

  • 作者： Bryant & O’Hallaron · 第 3 版
  • 类型： 书
  • 链接： http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html（配套实验）
  • 标签： Cache Loop Optimization ILP
  • 简评： 第 5 章”优化程序性能”和第 6 章”存储层次结构”是最佳系统性入门。配套 datalab/cachelab 可直接上手实验。

📚 Performance Analysis and Tuning on Modern CPUs

  • 作者： Denis Bakhvalov · 2023
  • 类型： 书（部分免费）
  • 链接： https://book.easyperf.net/perf_book
  • 标签： Top-Down PMU perf VTune
  • 简评： 最新的现代调优书。涵盖 Top-Down 性能分析方法论、PMU 计数器实战、perf/VTune 使用，以及 Cache Miss、Branch Mispredict 的系统性修复流程。强烈推荐。

📚 Systems Performance（2nd ed）

🌐 CPU.Land

  • 作者： Lexi Mattick & Hack Club · 2023
  • 类型： 免费网站
  • 链接： https://cpu.land
  • 标签： Pipeline Cache Syscall
  • 简评： 图文并茂的 CPU 工作原理交互式教程，从机器码到流水线、缓存、系统调用，可视化极佳，适合建立整体认知。

并发、关键区 & 无锁数据结构 — 必读资料

📚 C++ Concurrency in Action（2nd ed）

  • 作者： Anthony Williams · Manning, 2019
  • 类型： 书
  • 链接： https://www.manning.com/books/c-plus-plus-concurrency-in-action-second-edition
  • 标签： Memory Model atomic Lock-Free ABA
  • 简评： C++ 并发最权威的书。Ch.5 内存模型与 atomic；Ch.6 有锁数据结构；Ch.7 无锁数据结构（lock-free stack/queue）；Ch.8 并发代码设计与性能。代码全部可编译运行。无锁必读。

📚 The Art of Multiprocessor Programming（2nd ed）

📄 Is Parallel Programming Hard, And If So, What Can You Do About It?

🌐 1024cores.net — Dmitry Vyukov’s Blog

  • 作者： Dmitry Vyukov（Google, ThreadSanitizer 作者）
  • 类型： 免费网站
  • 链接： https://www.1024cores.net
  • 标签： MPMC Queue Hazard Pointer SPSC
  • 简评： 无锁编程实战圣地。SPSC/MPMC Queue、Bounded/Unbounded 实现、内存序实践、Memory Reclamation 方案的代码+分析。直接有可复现代码。

📄 x86-TSO: A Rigorous and Usable Programmer’s Model

  • 作者： Sewell et al. · CACM 2010
  • 类型： 免费论文
  • 链接： https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/weakmemory/cacm.pdf
  • 标签： Memory Model TSO acquire/release
  • 简评： 想真正搞清楚 x86 内存序（为什么 acquire/release 足够，seq_cst 何时必要），这篇论文是最严谨的形式化描述。

📄 Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking Concurrent Queue Algorithms

  • 作者： Michael & Scott · PODC 1996
  • 类型： 论文
  • 链接： https://www.cs.rochester.edu/~scott/papers/1996_PODC_queues.pdf
  • 标签： MS Queue CAS ABA Problem
  • 简评： Michael-Scott Queue 原始论文，工业界最广泛使用的无锁队列（Java ConcurrentLinkedQueue 即此实现）。CAS + 哑节点的经典设计。

视频讲座 — 最值得看的演讲

标题作者链接要点
atomic<> Weapons (1 & 2)Herb Sutter · C++ and Beyond 2012YouTubeC++ 内存模型最好的讲解，happens-before 关系
Live Lock-Free or Deadlock (1 & 2)Fedor Pikus · CppCon 2015YouTube无锁编程实战，ABA 问题与解决方案 ⭐
CPU Caches and Why You CareScott Meyers · code::dive 2014YouTubeCache line、false sharing、预取，直观易懂
C++ atomics, from basic to advancedFedor Pikus · CppCon 2017YouTubeatomic 实现细节，memory_order 选择
Linux Performance ToolsBrendan Gregg · LISA 2014YouTubeperf、Flamegraph、ftrace 系统性实战

工具 & 可复现代码库

名称链接用途
Google Benchmarkhttps://github.com/google/benchmark标准 microbenchmark 框架，防止编译器优化掉测试代码
Compiler Explorer (Godbolt)https://godbolt.org在线查看 C++/Rust 汇编，验证 cmov/inline/SIMD 生成
perf + Flamegraphhttps://www.brendangregg.com/perf.htmlPMU 计数器量化 cache-miss / branch-miss，火焰图定位热点
rigtorp/awesome-lockfreehttps://github.com/rigtorp/awesome-lockfree无锁资源 awesome-list + 高质量 SPSC/MPMC Queue 实现
Facebook Follyhttps://github.com/facebook/folly生产级无锁数据结构参考实现（MPMCQueue, AtomicHashMap 等）
Intel VTune Profilerhttps://www.intel.com/content/www/us/en/developer/tools/oneapi/vtune-profiler.htmlTop-Down 微架构分析，可视化 Front-End/Back-End Bound

推荐学习路径

Step 1：建立硬件直觉
  → Drepper 论文 §3-§4（Cache + TLB）
  → Scott Meyers 视频（CPU Caches and Why You Care）

Step 2：量化问题
  → Denis Bakhvalov 书（Top-Down 方法论 + perf/VTune 实战）
  → 工具：perf stat -e cache-misses,branch-misses

Step 3：理解并发基础
  → Herb Sutter atomic<> Weapons 视频
  → Anthony Williams Ch.5（内存模型 + atomic）

Step 4：无锁数据结构
  → Anthony Williams Ch.6-7（有锁 → 无锁）
  → Fedor Pikus CppCon 2015 视频
  → Michael-Scott Queue 原始论文

Step 5：验证与实践
  → Google Benchmark 写对比测试
  → Godbolt 确认汇编
  → perf 验证 PMU 计数器下降

TODO List

微架构 & 性能调优

  • 读完 Drepper 论文 §3（CPU Cache）
  • 读完 Drepper 论文 §4（Virtual Memory / TLB）
  • 扫读 Drepper 论文 §6（What Programmers Can Do）
  • 看完 Scott Meyers “CPU Caches and Why You Care” 视频
  • 读 Agner Fog Vol.3 microarchitecture.pdf（重点：BTB、分支预测器结构）
  • 安装并试用 Google Benchmark，跑一个 cache miss 对比实验
  • 用 perf stat -e cache-misses,branch-misses 跑自己的代码
  • 用 Godbolt 验证一段 branchless 代码是否生成了 cmov
  • 读 Denis Bakhvalov 书的 Top-Down 分析章节

并发 & 无锁

  • 看完 Herb Sutter “atomic<> Weapons” 两部视频
  • 读完 Anthony Williams C++ Concurrency in Action Ch.5（内存模型）
  • 读完 Anthony Williams Ch.6（有锁数据结构）
  • 读完 Anthony Williams Ch.7（无锁数据结构）
  • 看完 Fedor Pikus “Live Lock-Free or Deadlock” CppCon 2015
  • 读 Michael-Scott Queue 原始论文，手写一遍实现
  • 阅读 1024cores.net 的 MPMC Queue 实现
  • 理解 Hazard Pointer 和 Epoch-Based Reclamation 的区别

工具熟悉

  • 配置 perf + Flamegraph 工作环境
  • 跑一次 perf record + perf report 分析一个真实程序
  • 尝试 Intel VTune（或 AMD uProf）的 Top-Down 分析视图

进阶（有时间再说）

  • 读 Herlihy & Shavit “The Art of Multiprocessor Programming”
  • 读 McKenney “Is Parallel Programming Hard” RCU 相关章节
  • 读 x86-TSO 论文（理解内存序形式化定义）
  • 了解 AUTOSAR Classic OS 的任务模型和中断分类（Cat.1 / Cat.2）
  • 看 Zephyr RTOS 调度器源码 kernel/sched.c

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