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[26291] 2020-10-28_天啦噜！知道硬盘很慢，但没想到比CPUCache慢10000000倍

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-10-28_天啦噜！知道硬盘很慢，但没想到比CPUCache慢10000000倍 天 啦 噜 ！ 知 道 硬 盘 很 慢 ， 但 没 想 到 比   C P U   C a c h e   慢   1 0 0 0 0 0 0 0   倍 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 1 0 - 2 8 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 大 家 如 果 想 自 己 组 装 电 脑 的 话 ， 肯 定 需 要 购 买 一 个   C P U ， 但 是 存 储 器 方 面 的 设 备 ， 分 类 比 较 多 ， 那 我 们 肯 定 不 能 只 买 一 种 存 储 器 ， 比 如 你 除 了 要 买 内 存 ， 还 要 买 硬 盘 ， 而 针 对 硬 盘 我 们 还 可 以 选 择 是 固 态 硬 盘 还 是 机 械 硬 盘 。 相 信 大 家 都 知 道 内 存 和 硬 盘 都 属 于 计 算 机 的 存 储 设 备 ， 断 电 后 内 存 的 数 据 是 会 丢 失 的 ， 而 硬 盘 则 不 会 ， 因 为 硬 盘 是 持 久 化 存 储 设 备 ， 同 时 也 是 一 个   I / O   设 备 。 但 其 实   C P U   内 部 也 有 存 储 数 据 的 组 件 ， 这 个 应 该 比 较 少 人 注 意 到 ， 比 如 寄 存 器 、 寄 存 器 、 C P U   L 1 / L 2 / L 3   C a c h e 也 都 是 属 于 存 储 设 备 ， 只 不 过 它 们 能 存 储 的 数 据 非 常 小 ， 但 是 它 们 因 为 靠 近   C P U   核 心 ， 所 以 访 问 速 度 都 非 常 快 ， 快 过 硬 盘 好 几 个 数 量 级 别 。 问 题 来 了 ， 那 机 械 硬 盘 、 固 态 硬 盘 、 内 存 这 三 个 存 储 器 ， 到 底 和 那 机 械 硬 盘 、 固 态 硬 盘 、 内 存 这 三 个 存 储 器 ， 到 底 和   C P U   L 1   C a c h e   相 比 速 度 差 多 少 倍 相 比 速 度 差 多 少 倍 呢 ？ 呢 ？ 在 回 答 这 个 问 题 之 前 ， 我 们 先 来 看 看 「 存 储 器 的 层 次 结 构 存 储 器 的 层 次 结 构 」 ， 好 让 我 们 对 存 储 器 设 备 有 一 个 整 体 的 认 识 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
正 文 正 文 存 储 器 的 层 次 结 构 我 们 想 象 中 一 个 场 景 ， 大 学 期 末 准 备 考 试 了 ， 你 前 去 图 书 馆 临 时 抱 佛 脚 。 那 么 ， 在 看 书 的 时 候 ， 我 们 的 大 脑 会 思 考 问 题 ， 也 会 记 忆 知 识 点 ， 另 外 我 们 通 常 也 会 把 常 用 的 书 放 在 自 己 的 桌 子 上 ， 当 我 们 要 找 一 本 不 常 用 的 书 ， 则 会 去 图 书 馆 的 书 架 找 。 就 是 这 么 一 个 小 小 的 场 景 ， 已 经 把 计 算 机 的 存 储 结 构 基 本 都 涵 盖 了 。 我 们 可 以 把   C P U   比 喻 成 我 们 的 大 脑 ， 大 脑 正 在 思 考 的 东 西 ， 就 好 比   C P U   中 的 寄 存 器 寄 存 器 ， 处 理 速 度 是 最 快 的 ， 但 是 能 存 储 的 数 据 也 是 最 少 的 ， 毕 竟 我 们 也 不 能 一 下 同 时 思 考 太 多 的 事 情 ， 除 非 你 练 过 。 我 们 大 脑 中 的 记 忆 ， 就 好 比   C P U   C a c h e ， 中 文 称 为   C P U   高 速 缓 存 ， 处 理 速 度 相 比 寄 存 器 慢 了 一 点 ， 但 是 能 存 储 的 数 据 也 稍 微 多 了 一 些 。 C P U   C a c h e   通 常 会 分 为   L 1 、 、 L 2 、 、 L 3   三 层 三 层 ， 其 中   L 1   C a c h e   通 常 分 成 「 数 据 缓 存 」 和 「 指 令 缓 存 」 ， L 1 是 距 离   C P U   最 近 的 ， 因 此 它 比   L 2 、 L 3   的 读 写 速 度 都 快 、 存 储 空 间 都 小 。 我 们 大 脑 中 短 期 记 忆 ， 就 好 比 L 1   C a c h e ， 而 长 期 记 忆 就 好 比   L 2 / L 3   C a c h e 。 寄 存 器 和   C P U   C a c h e   都 是 在   C P U   内 部 ， 跟   C P U   挨 着 很 近 ， 因 此 它 们 的 读 写 速 度 都 相 当 的 快 ， 但 是 能 存 储 的 数 据 很 少 ， 毕 竟   C P U   就 这 么 丁 点 大 。 知 道   C P U   内 部 的 存 储 器 的 层 次 分 布 ， 我 们 放 眼 看 看   C P U   外 部 的 存 储 器 。 当 我 们 大 脑 记 忆 中 没 有 资 料 的 时 候 ， 可 以 从 书 桌 或 书 架 上 拿 书 来 阅 读 ， 那 我 们 桌 子 上 的 书 ， 就 好 比 内 存 内 存 ， 我
们 虽 然 可 以 一 伸 手 就 可 以 拿 到 ， 但 读 写 速 度 肯 定 远 慢 于 寄 存 器 ， 那 图 书 馆 书 架 上 的 书 ， 就 好 比 硬 盘 硬 盘 ， 能 存 储 的 数 据 非 常 大 ， 但 是 读 写 速 度 相 比 内 存 差 好 几 个 数 量 级 ， 更 别 说 跟 寄 存 器 的 差 距 了 。 我 们 从 图 书 馆 书 架 取 书 ， 把 书 放 到 桌 子 上 ， 再 阅 读 书 ， 我 们 大 脑 就 会 记 忆 知 识 点 ， 然 后 再 经 过 大 脑 思 考 ， 这 一 系 列 过 程 相 当 于 ， 数 据 从 硬 盘 加 载 到 内 存 ， 再 从 内 存 加 载 到   C P U   的 寄 存 器 和   C a c h e   中 ， 然 后 再 通 过 C P U   进 行 处 理 和 计 算 。 对 于 存 储 器 ， 它 的 速 度 越 快 、 能 耗 会 越 高 、 而 且 材 料 的 成 本 也 是 越 贵 的 ， 以 至 于 速 度 快 的 存 储 器 的 容 量 对 于 存 储 器 ， 它 的 速 度 越 快 、 能 耗 会 越 高 、 而 且 材 料 的 成 本 也 是 越 贵 的 ， 以 至 于 速 度 快 的 存 储 器 的 容 量 都 比 较 小 。 都 比 较 小 。 C P U   里 的 寄 存 器 和   C a c h e ， 是 整 个 计 算 机 存 储 器 中 价 格 最 贵 的 ， 虽 然 存 储 空 间 很 小 ， 但 是 读 写 速 度 是 极 快 的 ， 而 相 对 比 较 便 宜 的 内 存 和 硬 盘 ， 速 度 肯 定 比 不 上   C P U   内 部 的 存 储 器 ， 但 是 能 弥 补 存 储 空 间 的 不 足 。 存 储 器 通 常 可 以 分 为 这 么 几 个 级 别 ：
寄 存 器 ； C P U   C a c h e ； 1 .   L 1 - C a c h e ； 2 .   L 2 - C a c h e ； 3 .   L 3 - C a h c e ； 内 存 ； S S D / H D D   硬 盘 寄 存 器 寄 存 器 最 靠 近   C P U   的 控 制 单 元 和 逻 辑 计 算 单 元 的 存 储 器 ， 就 是 寄 存 器 了 ， 它 使 用 的 材 料 速 度 也 是 最 快 的 ， 因 此 价 格 也 是 最 贵 的 ， 那 么 数 量 不 能 很 多 。 存 储 器 的 数 量 通 常 在 几 十 到 几 百 之 间 ， 每 个 寄 存 器 可 以 用 来 存 储 一 定 的 字 节 （ b y t e ） 的 数 据 。 比 如 ： 3 2   位   C P U   中 大 多 数 寄 存 器 可 以 存 储 个 字 节 ； 6 4   位   C P U   中 大 多 数 寄 存 器 可 以 存 储 个 字 节 。 4 8
寄 存 器 的 访 问 速 度 非 常 快 ， 一 般 要 求 在 半 个   C P U   时 钟 周 期 内 完 成 读 写 ， C P U   时 钟 周 期 跟   C P U   主 频 息 息 相 关 ， 比 如   2   G H z   主 频 的   C P U ， 那 么 它 的 时 钟 周 期 就 是   1 / 2 G ， 也 就 是   0 . 5 n s （ 纳 秒 ） 。 C P U   处 理 一 条 指 令 的 时 候 ， 除 了 读 写 寄 存 器 ， 还 需 要 解 码 指 令 、 控 制 指 令 执 行 和 计 算 。 如 果 寄 存 器 的 速 度 太 慢 ， 则 会 拉 长 指 令 的 处 理 周 期 ， 从 而 给 用 户 的 感 觉 ， 就 是 电 脑 「 很 慢 」 。 C P U   C a c h e C P U   C a c h e   用 的 是 一 种 叫   S R A M （ （ S t a t i c   R a n d o m - A c c e s s   M e m o r y ， 静 态 随 机 存 储 器 ） ， 静 态 随 机 存 储 器 ）   的 芯 片 。 S R A M   之 所 以 叫 「 静 态 」 存 储 器 ， 是 因 为 只 要 有 电 ， 数 据 就 可 以 保 持 存 在 ， 而 一 旦 断 电 ， 数 据 就 会 丢 失 了 。 在   S R A M   里 面 ， 一 个   b i t   的 数 据 ， 通 常 需 要   6   个 晶 体 管 ， 所 以   S R A M   的 存 储 密 度 不 高 ， 同 样 的 物 理 空 间 下 ， 能 存 储 的 数 据 是 有 限 的 ， 不 过 也 因 为   S R A M   的 电 路 简 单 ， 所 以 访 问 速 度 非 常 快 。 C P U   的 高 速 缓 存 ， 通 常 可 以 分 为   L 1 、 L 2 、 L 3   这 样 的 三 层 高 速 缓 存 ， 也 称 为 一 级 缓 存 、 二 次 缓 存 、 三 次 缓 存 。 L 1   高 速 缓 存 高 速 缓 存 L 1   高 速 缓 存 的 访 问 速 度 几 乎 和 寄 存 器 一 样 快 ， 通 常 只 需 要 个 时 钟 周 期 ， 而 大 小 在 几 十   K B   到 几 百   K B   不 等 。 2 ~ 4
每 个   C P U   核 心 都 有 一 块 属 于 自 己 的   L 1   高 速 缓 存 ， 指 令 和 数 据 在   L 1   是 分 开 存 放 的 ， 所 以   L 1   高 速 缓 存 通 常 分 成 指 令 缓 存 指 令 缓 存 和 数 据 缓 存 数 据 缓 存 。 在   L i n u x   系 统 ， 我 们 可 以 通 过 这 条 命 令 ， 查 看   C P U   里 的   L 1   C a c h e   「 数 据 」 缓 存 的 容 量 大 小 ： 而 查 看   L 1   C a c h e   「 指 令 」 缓 存 的 容 量 大 小 ， 则 是 ： L 2   高 速 缓 存 高 速 缓 存 L 2   高 速 缓 存 同 样 每 个   C P U   核 心 都 有 ， 但 是   L 2   高 速 缓 存 位 置 比   L 1   高 速 缓 存 距 离   C P U   核 心   更 远 ， 它 大 小 比   L 1   高 速 缓 存 更 大 ， C P U   型 号 不 同 大 小 也 就 不 同 ， 通 常 大 小 在 几 百   K B   到 几   M B   不 等 ， 访 问 速 度 则 更 慢 ， 速 度 在 个 时 钟 周 期 。 在   L i n u x   系 统 ， 我 们 可 以 通 过 这 条 命 令 ， 查 看   C P U   里 的   L 2   C a c h e   的 容 量 大 小 ： L 3   高 速 缓 存 高 速 缓 存 L 3   高 速 缓 存 通 常 是 多 个   C P U   核 心 共 用 的 ， 位 置 比   L 2   高 速 缓 存 距 离   C P U   核 心   更 远 ， 大 小 也 会 更 大 些 ， 通 常 大 小 在 几   M B   到 几 十   M B   不 等 ， 具 体 值 根 据   C P U   型 号 而 定 。 访 问 速 度 相 对 也 比 较 慢 一 些 ， 访 问 速 度 在 个 时 钟 周 期 。 在   L i n u x   系 统 ， 我 们 可 以 通 过 这 条 命 令 ， 查 看   C P U   里 的   L 3   C a c h e   的 容 量 大 小 ： 内 存 内 存 内 存 用 的 芯 片 和   C P U   C a c h e   有 所 不 同 ， 它 使 用 的 是 一 种 叫 作   D R A M   （ （ D y n a m i c   R a n d o m   A c c e s s $   c a t   / s y s / d e v i c e s / s y s t e m / c p u / c p u 0 / c a c h e / i n d e x 0 / s i z e 3 2 K $   c a t   / s y s / d e v i c e s / s y s t e m / c p u / c p u 0 / c a c h e / i n d e x 1 / s i z e 3 2 K 1 0 ~ 2 0 $   c a t   / s y s / d e v i c e s / s y s t e m / c p u / c p u 0 / c a c h e / i n d e x 2 / s i z e 2 5 6 K 2 0 ~ 6 0 $   c a t   / s y s / d e v i c e s / s y s t e m / c p u / c p u 0 / c a c h e / i n d e x 3 / s i z e   3 0 7 2 K
M e m o r y ， 动 态 随 机 存 取 存 储 器 ） ， 动 态 随 机 存 取 存 储 器 ）   的 芯 片 。 相 比   S R A M ， D R A M   的 密 度 更 高 ， 功 耗 更 低 ， 有 更 大 的 容 量 ， 而 且 造 价 比   S R A M   芯 片 便 宜 很 多 。 D R A M   存 储 一 个   b i t   数 据 ， 只 需 要 一 个 晶 体 管 和 一 个 电 容 就 能 存 储 ， 但 是 因 为 数 据 会 被 存 储 在 电 容 里 ， 电 容 会 不 断 漏 电 ， 所 以 需 要 「 定 时 刷 新 」 电 容 ， 才 能 保 证 数 据 不 会 被 丢 失 ， 这 就 是   D R A M   之 所 以 被 称 为 「 动 态 」 存 储 器 的 原 因 ， 只 有 不 断 刷 新 ， 数 据 才 能 被 存 储 起 来 。 D R A M   的 数 据 访 问 电 路 和 刷 新 电 路 都 比   S R A M   更 复 杂 ， 所 以 访 问 的 速 度 会 更 慢 ， 内 存 速 度 大 概 在 个   时 钟 周 期 之 间 。 S S D / H D D   硬 盘 硬 盘 S S D （ S o l i d - s t a t e   d i s k ）   就 是 我 们 常 说 的 固 体 硬 盘 ， 结 构 和 内 存 类 似 ， 但 是 它 相 比 内 存 的 优 点 是 断 电 后 数 据 还 是 存 在 的 ， 而 内 存 、 寄 存 器 、 高 速 缓 存 断 电 后 数 据 都 会 丢 失 。 内 存 的 读 写 速 度 比   S S D   大 概 快 倍 。 当 然 ， 还 有 一 款 传 统 的 硬 盘 ， 也 就 是 机 械 硬 盘 （ H a r d   D i s k   D r i v e ,   H D D ） ， 它 是 通 过 物 理 读 写 的 方 式 来 访 问 数 据 的 ， 因 此 它 访 问 速 度 是 非 常 慢 的 ， 它 的 速 度 比 内 存 慢 倍 左 右 。 由 于   S S D   的 价 格 快 接 近 机 械 硬 盘 了 ， 因 此 机 械 硬 盘 已 经 逐 渐 被   S S D   替 代 了 。 存 储 器 的 层 次 关 系 现 代 的 一 台 计 算 机 ， 都 用 上 了   C P U   C a h c e 、 内 存 、 到   S S D   或   H D D   硬 盘 这 些 存 储 器 设 备 了 。 其 中 ， 存 储 空 间 越 大 的 存 储 器 设 备 ， 其 访 问 速 度 越 慢 ， 所 需 成 本 也 相 对 越 少 。 C P U   并 不 会 直 接 和 每 一 种 存 储 器 设 备 直 接 打 交 道 ， 而 是 每 一 种 存 储 器 设 备 只 和 它 相 邻 的 存 储 器 设 备 打 交 道 。 比 如 ， C P U   C a c h e   的 数 据 是 从 内 存 加 载 过 来 的 ， 写 回 数 据 的 时 候 也 只 写 回 到 内 存 ， C P U   C a c h e   不 会 直 接 把 数 据 写 到 硬 盘 ， 也 不 会 直 接 从 硬 盘 加 载 数 据 ， 而 是 先 加 载 到 内 存 ， 再 从 内 存 加 载 到   C P U   C a c h e   中 。 2 0 0 ~ 3 0 0 1 0 ~ 1 0 0 0 1 0 W
所 以 ， 每 个 存 储 器 只 和 相 邻 的 一 层 存 储 器 设 备 打 交 道 ， 并 且 存 储 设 备 为 了 追 求 更 快 的 速 度 ， 所 需 的 材 料 每 个 存 储 器 只 和 相 邻 的 一 层 存 储 器 设 备 打 交 道 ， 并 且 存 储 设 备 为 了 追 求 更 快 的 速 度 ， 所 需 的 材 料 成 本 必 然 也 是 更 高 ， 也 正 因 为 成 本 太 高 ， 所 以 成 本 必 然 也 是 更 高 ， 也 正 因 为 成 本 太 高 ， 所 以   C P U   内 部 的 寄 存 器 、 内 部 的 寄 存 器 、 L 1 L 2 L 3   C a c h e   只 好 用 较 小 的 容 只 好 用 较 小 的 容 量 ， 相 反 内 存 、 硬 盘 则 可 用 更 大 的 容 量 ， 这 就 我 们 今 天 所 说 的 存 储 器 层 次 结 构 量 ， 相 反 内 存 、 硬 盘 则 可 用 更 大 的 容 量 ， 这 就 我 们 今 天 所 说 的 存 储 器 层 次 结 构 。 另 外 ， 当   C P U   需 要 访 问 内 存 中 某 个 数 据 的 时 候 ， 如 果 寄 存 器 有 这 个 数 据 ， C P U   就 直 接 从 寄 存 器 取 数 据 即 可 ， 如 果 寄 存 器 没 有 这 个 数 据 ， C P U   就 会 查 询   L 1   高 速 缓 存 ， 如 果   L 1   没 有 ， 则 查 询   L 2   高 速 缓 存 ， L 2 还 是 没 有 的 话 就 查 询   L 3   高 速 缓 存 ， L 3   依 然 没 有 的 话 ， 才 去 内 存 中 取 数 据 。
所 以 ， 存 储 层 次 结 构 也 形 成 了 缓 存 缓 存 的 体 系 。
存 储 器 之 间 的 实 际 价 格 和 性 能 差 距 前 面 我 们 知 道 了 ， 速 度 越 快 的 存 储 器 ， 造 价 成 本 往 往 也 越 高 ， 那 我 们 就 以 实 际 的 数 据 来 看 看 ， 不 同 层 级 的 存 储 器 之 间 的 性 能 和 价 格 差 异 。 下 面 这 张 表 格 是 不 同 层 级 的 存 储 器 之 间 的 成 本 对 比 图 ： 你 可 以 看 到   L 1   C a c h e   的 访 问 延 时 是   1   纳 秒 ， 而 内 存 已 经 是   1 0 0   纳 秒 了 ， 相 比   L 1   C a c h e   速 度 慢 了 倍 。 另 外 ， 机 械 硬 盘 的 访 问 延 时 更 是 高 达   1 0   毫 秒 ， 相 比   L 1   C a c h e   速 度 慢 了 倍 ， 差 了 好 几 个 数 量 级 别 。 在 价 格 上 ， 每 生 产   M B   大 小 的   L 1   C a c h e   相 比 内 存 贵 了 倍 ， 相 比 机 械 硬 盘 那 更 是 贵 了 倍 。 我 在 某 东 逛 了 下 各 个 存 储 器 设 备 的 零 售 价 ， 8 G   内 存   +   1 T   机 械 硬 盘   +   2 5 6 G   固 态 硬 盘 的 总 价 格 ， 都 不 及 一 块   I n t l e   i 5 - 1 0 4 0 0   的   C P U   的 价 格 ， 这 款   C P U   的 高 速 缓 存 的 总 大 小 也 就 十 多   M B 。 总 结 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 4 6 6 1 7 5 0 0 0
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