介绍

寄存器

最靠近 CPU 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(byte)的数据。比如：

• 32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节;
• 64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节。

寄存器的访问速度非常快，一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写，CPU 时钟周期跟 CPU 主频息息相关，比如 2 GHz 主频的 CPU，那么它的时钟周期就是 1/2G，也就是 0.5ns(纳秒)。

CPU 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」。

CPU Cache

CPU Cache 用的是一种叫 SRAM(Static Random-Access Memory，静态随机存储器) 的芯片。

SRAM 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 SRAM 里面，一个 bit 的数据，通常需要 6 个晶体管，所以 SRAM 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 SRAM 的电路简单，所以访问速度非常快。

CPU 的高速缓存，通常可以分为 L1、L2、L3 这样的三层高速缓存，也称为一级缓存、二次缓存、三次缓存。

L1 高速缓存

L1 高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快，通常只需要 2~4 个时钟周期，而大小在几十 KB 到几百 KB 不等。

每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存，指令和数据在 L1 是分开存放的，所以 L1 高速缓存通常分成指令缓存和数据缓存。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L1 Cache 「数据」缓存的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size 
32K 

而查看 L1 Cache 「指令」缓存的容量大小，则是：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size 
32K 

L2 高速缓存

L2 高速缓存同样每个 CPU 核心都有，但是 L2 高速缓存位置比 L1 高速缓存距离 CPU 核心 更远，它大小比 L1 高速缓存更大，CPU 型号不同大小也就不同，通常大小在几百 KB 到几 MB 不等，访问速度则更慢，速度在 10~20 个时钟周期。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L2 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size 
256K 

L3 高速缓存

L3 高速缓存通常是多个 CPU 核心共用的，位置比 L2 高速缓存距离 CPU 核心 更远，大小也会更大些，通常大小在几 MB 到几十 MB 不等，具体值根据 CPU 型号而定。

访问速度相对也比较慢一些，访问速度在 20~60个时钟周期。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L3 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size  
3072K 

内存

内存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一种叫作 DRAM (Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器) 的芯片。

相比 SRAM，DRAM 的密度更高，功耗更低，有更大的容量，而且造价比 SRAM 芯片便宜很多。

DRAM 存储一个 bit 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 DRAM 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。

DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂，所以访问的速度会更慢，内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间。

SSD/HDD 硬盘

SSD(Solid-state disk) 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 SSD 大概快 10~1000 倍。

当然，还有一款传统的硬盘，也就是机械硬盘(Hard Disk Drive, HDD)，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 10W 倍左右。

由于 SSD 的价格快接近机械硬盘了，因此机械硬盘已经逐渐被 SSD 替代了。

存储器的层次关系

现代的一台计算机，都用上了 CPU Cahce、内存、到 SSD 或 HDD 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。

CPU 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，CPU Cache 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，CPU Cache 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 CPU Cache 中。

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，所需的材料成本必然也是更高，也正因为成本太高，所以 CPU 内部的寄存器、L1\L2\L3 Cache 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。

另外，当 CPU 需要访问内存中某个数据的时候，如果寄存器有这个数据，CPU 就直接从寄存器取数据即可，如果寄存器没有这个数据，CPU 就会查询 L1 高速缓存，如果 L1 没有，则查询 L2 高速缓存，L2 还是没有的话就查询 L3 高速缓存，L3 依然没有的话，才去内存中取数据。

速度比较

L1 cache reference ......................... 0.5 ns
Branch mispredict ............................ 5 ns
L2 cache reference ........................... 7 ns
Mutex lock/unlock ........................... 25 ns
Main memory reference ...................... 100 ns             
Compress 1K bytes with Zippy ............. 3,000 ns  =   3 µs
Send 2K bytes over 1 Gbps network ....... 20,000 ns  =  20 µs
SSD random read ........................ 150,000 ns  = 150 µs
Read 1 MB sequentially from memory ..... 250,000 ns  = 250 µs
Round trip within same datacenter ...... 500,000 ns  = 0.5 ms
Read 1 MB sequentially from SSD* ..... 1,000,000 ns  =   1 ms
Disk seek ........................... 10,000,000 ns  =  10 ms
Read 1 MB sequentially from disk .... 20,000,000 ns  =  20 ms
Send packet CA->Netherlands->CA .... 150,000,000 ns  = 150 ms

CPU L1 Cache 随机访问延时是 1 纳秒，内存则是 100 纳秒，所以 CPU L1 Cache 比内存快 100 倍左右。

SSD 随机访问延时是 150 微妙，所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。

最慢的机械硬盘随机访问延时已经高达 10 毫秒，我们来看看机械硬盘到底有多「龟速」：

• SSD 比机械硬盘快 70 倍左右;
• 内存比机械硬盘快 100000 倍左右，即 10W 倍;
• CPU L1 Cache 比机械硬盘快 10000000 倍左右，即 1000W倍;

性能分析

先来看看 CPU 的速度，就拿我的电脑来说，主频是 2.6G，也就是说每秒可以执行 2.6*10^9 个指令，每个指令只需要 0.38ns（现在很多个人计算机的主频要比这个高，配置比较高的能达到 3.0G+）。

一级缓存读取时间为 0.5ns，它的速度可以赶上 CPU，程序本身的 locality 特性加上指令层级上的优化，cache 访问的命中率很高，这最终能极大提高效率。

分支预测错误需要耗时 5ns，换算成人类时间大约是 13s，这个就有点久了，所以你会看到很多文章分析如何优化代码来降低分支预测的几率。所以if和switch判断时概率大的放上面可以提高性能。（微乎其微的提升，但是也要注意）

二级缓存时间就比较久了，大约在 7ns，可以看到的是如果一级缓存没有命中，然后去二级缓存读取数据，时间差了一个数量级。

互斥锁的加锁和解锁时间需要 25ns。

然后就到了内存，每次内存寻址需要 100ns。

一次 CPU 上下文切换（系统调用）需要大约 1500ns，也就是 1.5us（采用的是单核 CPU 线程平均时间）我们也知道上下文切换是很耗时的行为，毕竟每次浪费一个小时，也很让人有罪恶感的。上下文切换更恐怖的事情在于，这段时间里 CPU 没有做任何有用的计算，只是切换了两个不同进程的寄存器和内存状态；而且这个过程还破坏了缓存，让后续的计算更加耗时。

在 1Gbps 的网络上传输 2K 的数据需要 20us，可以看到网络上非常少数据传输对于 CPU 来说，已经很漫长。而且这里的时间还是理论最大值，实际过程还要更慢一些。

SSD 随机读取耗时为 150us，虽然我们知道 SSD 要比机械硬盘快很多，但是这个速度对于 CPU 来说也是像乌龟一样。I/O 设备 从硬盘开始速度开始变得漫长，这个时候我们就想起内存的好处了。尽量减少 IO 设备的读写，把最常用的数据放到内存中作为缓存是所有程序的通识。像 memcached 和 redis 这样的高速缓存系统近几年的异军突起，就是解决了这里的问题。

从内存中读取 1MB 的连续数据，耗时大约为 250us。

同一个数据中心网络上跑一个来回需要 0.5ms，如果你的程序有段代码需要和数据中心的其他服务器交互，在这段时间里 CPU 都已经狂做了半个月的运算。减少不同服务组件的网络请求，是性能优化的一大课题。

从 SSD 读取 1MB 的顺序数据，大约需要 1ms，SSD 读一个普通的文件，如果要等你做完，CPU 一个月时间就荒废了。尽管如此，SSD 已经很快啦，不信你看下面机械磁盘的表现。

磁盘寻址时间为 10ms，机械硬盘使用 RPM(Revolutions Per Minute/每分钟转速) 来评估磁盘的性能：RPM 越大，平均寻址时间更短，磁盘性能越好。寻址只是把磁头移动到正确的磁道上，然后才能读取指定扇区的内容。换句话说，寻址虽然很浪费时间，但其实它并没有办任何的正事（读取磁盘内容）。

从磁盘读取 1MB 连续数据需要 20ms，O 设备是计算机系统的瓶颈。

而从世界上不同城市网络上走一个来回，平均需要 150ms，不难理解，所有的程序和架构都会尽量避免不同城市甚至是跨国家的网络访问，CDN就是这个问题的一个解决方案：让用户和最接近自己的服务器交互，从而减少网络上报文的传输时间。