大家好，我是呼嚕嚕，今天我們來介紹計算機(jī)的儲存器之一，CPU高速緩沖存儲器也叫高速緩存，CPU Cache

緩存這個專業(yè)術(shù)語，在計算機(jī)世界中是經(jīng)常使用到的。它并不是CPU所獨有的，比如cdn緩存網(wǎng)站信息，瀏覽器緩存網(wǎng)頁的圖像視頻等，但本文講述的是狹義Cache，主要指的是CPU Cache，本文將其簡稱為"緩存"或者"Cache"

計算機(jī)性能的瓶頸

在馮諾依曼架構(gòu)下，計算機(jī)存儲器是分層次的，存儲器的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示，是一個金字塔形狀的東西。從上到下依次是寄存器、緩存、主存(內(nèi)存)、硬盤等等

圖片

離CPU越近的存儲器，訪問速度越來越快，容量越來越小，每字節(jié)的成本也越來越昂貴

比如一個主頻為3.0GHZ的CPU，寄存器的速度最快，可以在1個時鐘周期內(nèi)訪問，一個時鐘周期(CPU中基本時間單位)大約是0.3納秒，內(nèi)存訪問大約需要120納秒，固態(tài)硬盤訪問大約需要50-150微秒，機(jī)械硬盤訪問大約需要1-10毫秒，最后網(wǎng)絡(luò)訪問最慢，得幾十毫秒左右。

這個大家可能對時間不怎么直觀，那如果我們把一個時鐘周期如果按1秒算的話，那寄存器訪問大約是1s，內(nèi)存訪問大約就是6分鐘 ，固態(tài)硬盤大約是2-6天 ，傳統(tǒng)硬盤大約是1-12個月，網(wǎng)絡(luò)訪問就得幾年了！我們可以發(fā)現(xiàn)CPU的速度和內(nèi)存等存儲器的速度，完全不是一個量級上的。

電子計算機(jī)剛出來的時候，其實CPU是沒有緩存Cache的，那個時候的CPU主頻很低，甚至沒有內(nèi)存高，CPU都是直接讀寫內(nèi)存的

隨著時代的發(fā)展，技術(shù)的革新，從1980年代開始，差距開始迅速擴(kuò)大，CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)存的速度，在馮諾依曼架構(gòu)下，CPU訪問內(nèi)存的速度也就成了計算機(jī)性能的瓶頸?。?！

圖片

DRAM為內(nèi)存顆粒,也叫動態(tài)隨機(jī)存取存儲器， 圖片來源于：How L1 and L2 CPU Caches Work, and Why They're an Essential Part of Modern Chips

為了彌補(bǔ)CPU與內(nèi)存兩者之間的性能差異，也就是要加快CPU訪問內(nèi)存的速度，就引入了緩存CPU Cache，緩存的速度僅次于寄存器，充當(dāng)了CPU與內(nèi)存之間的中間角色

緩存及其發(fā)展歷史

緩存CPU Cache用的是 SRAM(Static Random-Access Memory)的芯片，也叫靜態(tài)隨機(jī)存儲器。其只要有電，數(shù)據(jù)就可以保持存在，而一旦斷電，數(shù)據(jù)就會丟失。

CPU Cache 如今通常分為大小不等的3級緩存，分別是 L1 Cache、L2 Cache 和 L3 Cache

圖片

我們可以發(fā)現(xiàn)越靠近 CPU 核心的緩存，其訪問速度越快，其大小越來越小，其制造成本也越昂貴，常見的Cache典型分布圖如下：

圖片

回顧C(jī)ache發(fā)展歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)Cache其實一開始并不是在CPU的內(nèi)部，我們這里以Intel系列為例

在80286之前，那個時候是沒有緩存Cache的，那個時候的CPU主頻很低，甚至沒有內(nèi)存高，CPU都是直接讀寫內(nèi)存的

從80386開始，這個CPU速度和內(nèi)存速度不匹配問題已經(jīng)開始展露，并且差距開始迅速擴(kuò)大，慢速度的內(nèi)存成為了計算機(jī)的瓶頸，無法充分發(fā)揮CPU的性能，為解決這個問題，Intel主板支持外部Cache，來配合80386運行

圖片

80486將L1 Cache(大小8KB)放到CPU內(nèi)部，同時支持外接Cache，即L2 Cache（大小從128KB到256KB），但是不分指令和數(shù)據(jù)Cache

圖片

雖然L1 Cache大小只有8KB，但其實對那時候CPU來說夠用了，我們來看一副緩存命中率與L1、L2大小的關(guān)系圖：

圖片

圖片來源于：How L1 and L2 CPU Caches Work, and Why They're an Essential Part of Modern Chips

從上圖我們可以發(fā)現(xiàn)，增大L1 cache對于CPU來說好處不太明顯，緩存命中率并沒有顯著提升，成本還會更昂高，所以性價比不高。

而隨著 L2 cache 大小的增加，緩存總命中率會急劇上升，因此容量更大、速度較慢、更便宜的L2成為了更好的選擇

等到Pentium-1/80586，也就是我們熟悉的奔騰系列，由于Pentium采用了雙路執(zhí)行的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，有2條并行整數(shù)流水線，需要對數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行雙重的訪問，為了使得這些訪問互不干涉，于是L1 Cache被一分為二，分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache(大小都是8K)，此時的L2 Cache還是在主板上，再后來Intel推出了Pentium Pro/80686，為了進(jìn)一步提高性能L2 Cache被正式放到CPU內(nèi)部

圖片

后來CPU多核時代來臨，Intel的Pentium D、Pentium EE系列，CPU內(nèi)部每個核心都有自己的L1、L2 Cache，但他們并不共享，只能依靠總線來傳遞同步緩存數(shù)據(jù)。最后Core Duo酷睿系列的出現(xiàn)，L2 Cache變成多核共享模式，采用Intel的“Smart cache”共享緩存技術(shù)，到此為止，就確定了現(xiàn)代緩存的基本模式如今CPU Cache 通常分為大小不等的3級緩存，分別是 L1 Cache、L2 Cache 和 L3 Cache，L3 高速緩存為多個 CPU 核心共用的，而L2則被每個核心單獨占據(jù)，另外現(xiàn)在有的CPU已經(jīng)有了L4 Cache，未來可能會更多

緩存如何彌補(bǔ)CPU與內(nèi)存的性能差異？

我們可以思考一個問題：緩存是如何彌補(bǔ)CPU與內(nèi)存兩者之間的性能差異？

緩存主要是利用局部性原理，來提升計算機(jī)的整體性能。因為緩存的性能僅次于寄存器，而CPU與內(nèi)存兩者之間的產(chǎn)生的分歧，主要是二者存取速度數(shù)量級的差距，那盡可能多地讓CPU去存取緩存，同時減少CPU直接訪問主存的次數(shù)，這樣計算機(jī)的性能就自然而然地得到巨大的提升

所謂局部性原理，主要分為空間局部性與時間局部性：

1. 時間局部性：被引用過一次的存儲器位置在未來會被多次引用（通常在循環(huán)中）。
2. 空間局部性：如果一個存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會被引用

緩存這里，會去把CPU最近訪問主存(內(nèi)存)中的指令和數(shù)據(jù)，臨時儲存著，因為根據(jù)局部性原理，這些指令和數(shù)據(jù)在較短的時間間隔內(nèi)很可能會被以后多次使用到，其次是當(dāng)從主存中取回這些數(shù)據(jù)時，會同時取回與其位置相鄰的主存單元的存放的數(shù)據(jù) 臨時儲存到緩存中，因為該指令和數(shù)據(jù)附近的內(nèi)存區(qū)域，在較短的時間間隔內(nèi)也可能會被多次訪問。

那以后CPU去訪問這些指令和數(shù)據(jù)時，首先去命中L1 Cache，如果命中會直接從對應(yīng)的緩存中取數(shù)據(jù)，而不必每次去訪問主存，如果沒命中，會再去L2 Cache中找，依次類推，如果L3 Cache中不存在，就去內(nèi)存中找。

尾語

本文簡單介紹了計算機(jī)性能瓶頸產(chǎn)生的原因，緩存及其發(fā)展歷史，最后講解了緩存彌補(bǔ)CPU和內(nèi)存性能差異的原理，后面我們會繼續(xù)更詳細(xì)深入地介紹Cache的組織結(jié)構(gòu)、緩存一致性，以及如何利用緩存提升我們代碼的性能等

參考資料：

https://www.extremetech.com/extreme/188776-how-l1-and-l2-cpu-caches-work-and-why-theyre-an-essential-part-of-modern-chips

http://www.cpu-zone.com/80486.htm