大家都知道內(nèi)存和硬盤(pán)都屬于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備，斷電后內(nèi)存的數(shù)據(jù)是會(huì)丟失的，而硬盤(pán)則不會(huì)，因?yàn)橛脖P(pán)是持久化存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)也是一個(gè) I/O 設(shè)備。

其實(shí) CPU 內(nèi)部也有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的組件，比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是屬于存儲(chǔ)設(shè)備，只不過(guò)它們能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常小，但是它們因?yàn)榭拷?CPU 核心，所以訪問(wèn)速度都非常快，快過(guò)硬盤(pán)好幾個(gè)數(shù)量級(jí)別。

問(wèn)題來(lái)了，那機(jī)械硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)、內(nèi)存這三個(gè)存儲(chǔ)器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)看看「存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)」，好讓我們對(duì)存儲(chǔ)器設(shè)備有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

我們想象中一個(gè)場(chǎng)景，程序汪小劉同學(xué)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)行了，在準(zhǔn)備法考，為了營(yíng)造氣氛，就去附近自習(xí)室學(xué)習(xí)。那么，在看書(shū)的時(shí)候，我們的大腦會(huì)思考問(wèn)題，也會(huì)記憶考點(diǎn)，另外我們通常也會(huì)把常用的書(shū)放在自己的桌子上，當(dāng)我們要找一本不常用的書(shū)，則會(huì)回家去拿或者去附近的圖書(shū)館找一找。

就是這么一個(gè)場(chǎng)景，已經(jīng)把計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)基本都涵蓋了。

我們可以把 CPU 比喻成我們的大腦，大腦正在思考的東西，就好比 CPU 中的寄存器，處理速度是最快的，但是能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也是最少的 。

我們大腦中的記憶，就好比 CPU Cache，中文稱(chēng)為 CPU 高速緩存，處理速度相比寄存器慢了一點(diǎn)，但是能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也稍微多了一些。

CPU Cache 通常會(huì)分為 L1、L2、L3 三層，L1 是距離 CPU 最近的，因此它比 L2、L3 的讀寫(xiě)速度都快、存儲(chǔ)空間都小。我們大腦中短期記憶，就好比 L1 Cache，而長(zhǎng)期記憶就好比 L2/L3 Cache。

寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 內(nèi)部，跟 CPU 挨著很近，因此它們的讀寫(xiě)速度都相當(dāng)?shù)目欤悄艽鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)很少，畢竟 CPU 就這么丁點(diǎn)大。

再來(lái)看看 CPU 外部的存儲(chǔ)器。

當(dāng)我們大腦記憶中沒(méi)有資料的時(shí)候，可以從書(shū)桌拿書(shū)來(lái)閱讀，那我們桌子上的書(shū)，就好比內(nèi)存，我們雖然可以一伸手就可以拿到，但讀寫(xiě)速度肯定遠(yuǎn)慢于寄存器，

那圖書(shū)館里資料或者在家里的書(shū)，就好比硬盤(pán)，能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常大，但是讀寫(xiě)速度相比內(nèi)存差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，更別說(shuō)跟寄存器的差距了。

對(duì)于存儲(chǔ)器，它的速度越快、能耗會(huì)越高、而且材料的成本也是越貴的，以至于速度快的存儲(chǔ)器的容量都比較小。

存儲(chǔ)器通常可以分為這么幾個(gè)級(jí)別：

• 寄存器；
• CPU Cache；

1. L1-Cache；
2. L2-Cache；
3. L3-Cahce；

• 內(nèi)存；
• SSD/HDD 硬盤(pán)

寄存器

最靠近 CPU 的控制單元和邏輯計(jì)算單元的存儲(chǔ)器，就是寄存器了，它使用的材料速度也是最快的，因此價(jià)格也是最貴的，那么數(shù)量不能很多。

寄存器的數(shù)量通常在幾十到幾百之間，每個(gè)寄存器可以用來(lái)存儲(chǔ)一定的字節(jié)（byte）的數(shù)據(jù)。比如：

• 32 位 CPU 中大多數(shù)寄存器可以存儲(chǔ) 4 個(gè)字節(jié)；
• 64 位 CPU 中大多數(shù)寄存器可以存儲(chǔ) 8 個(gè)字節(jié)。

寄存器的訪問(wèn)速度非常快，一般要求在半個(gè) CPU 時(shí)鐘周期內(nèi)完成讀寫(xiě)，CPU 時(shí)鐘周期跟 CPU 主頻息息相關(guān)，

舉個(gè)例子，主頻為3.0GHZ的CPU，一個(gè)時(shí)鐘周期大約是0.3納秒，內(nèi)存訪問(wèn)大約需要120納秒，固態(tài)硬盤(pán)訪問(wèn)大約需要50-150微秒，機(jī)械硬盤(pán)訪問(wèn)大約需要1-10毫秒，最后網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)最慢，得幾十毫秒左右。 這個(gè)大家可能對(duì)時(shí)間不怎么敏感，那如果我們把一個(gè)時(shí)鐘周期如果按1秒算的話，內(nèi)存訪問(wèn)大約就是6分鐘 ，固態(tài)硬盤(pán)大約是2-6天 ，傳統(tǒng)硬盤(pán)大約是1-12個(gè)月，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)就得幾年了！

CPU Cache

CPU Cache 用的是一種叫 SRAM（Static Random-Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器） 的芯片。

SRAM 之所以叫「靜態(tài)」存儲(chǔ)器，是因?yàn)橹灰须姡瑪?shù)據(jù)就可以保持存在，而一旦斷電，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失了。

CPU 的高速緩存，通常可以分為 L1、L2、L3 這樣的三層高速緩存，也稱(chēng)為一級(jí)緩存、二級(jí)緩存、三級(jí)緩存。

內(nèi)存

內(nèi)存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一種叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器） 的芯片。

相比 SRAM，DRAM 的密度更高，功耗更低，有更大的容量，而且造價(jià)比 SRAM 芯片便宜很多。

DRAM 存儲(chǔ)一個(gè) bit 數(shù)據(jù)，只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電容就能存儲(chǔ)，但是因?yàn)閿?shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)在電容里，電容會(huì)不斷漏電，所以需要「定時(shí)刷新」電容，才能保證數(shù)據(jù)不會(huì)被丟失，這就是 DRAM 之所以被稱(chēng)為「動(dòng)態(tài)」存儲(chǔ)器的原因，只有不斷刷新，數(shù)據(jù)才能被存儲(chǔ)起來(lái)。

DRAM 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)電路和刷新電路都比 SRAM 更復(fù)雜，所以訪問(wèn)的速度會(huì)更慢，內(nèi)存速度大概在 200~300 個(gè) 時(shí)鐘周期之間。

SSD/HDD 硬盤(pán)

SSD（Solid-state disk） 就是我們常說(shuō)的固體硬盤(pán)，結(jié)構(gòu)和內(nèi)存類(lèi)似，但是它相比內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是斷電后數(shù)據(jù)還是存在的，而內(nèi)存、寄存器、高速緩存斷電后數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。內(nèi)存的讀寫(xiě)速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。

當(dāng)然，還有一款傳統(tǒng)的硬盤(pán)，也就是機(jī)械硬盤(pán)（Hard Disk Drive, HDD），它是通過(guò)物理讀寫(xiě)的方式來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的，因此它訪問(wèn)速度是非常慢的，它的速度比內(nèi)存慢 10W 倍左右。

由于 SSD 的價(jià)格快接近機(jī)械硬盤(pán)了，因此機(jī)械硬盤(pán)已經(jīng)逐漸被 SSD 替代了。

存儲(chǔ)器的層次關(guān)系

現(xiàn)代的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，都用上了 CPU Cahce、內(nèi)存、到 SSD 或 HDD 硬盤(pán)這些存儲(chǔ)器設(shè)備了。存儲(chǔ)空間越大的存儲(chǔ)器設(shè)備，其訪問(wèn)速度越慢，所需成本也相對(duì)越少。

CPU 并不會(huì)直接和每一種存儲(chǔ)器設(shè)備直接打交道，而是每一種存儲(chǔ)器設(shè)備只和它相鄰的存儲(chǔ)器設(shè)備打交道。比如，CPU Cache 的數(shù)據(jù)是從內(nèi)存加載過(guò)來(lái)的，寫(xiě)回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候也只寫(xiě)回到內(nèi)存，CPU Cache 不會(huì)直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)到硬盤(pán)，也不會(huì)直接從硬盤(pán)加載數(shù)據(jù)，而是先加載到內(nèi)存，再?gòu)膬?nèi)存加載到 CPU Cache 中。

所以，存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)也形成了緩存的體系。

價(jià)格和性能的權(quán)衡

前面我們知道了，速度越快的存儲(chǔ)器，造價(jià)成本往往也越高，那我們就以實(shí)際的數(shù)據(jù)來(lái)看看，不同層級(jí)的存儲(chǔ)器之間的性能和價(jià)格差異。

下面這張表格是不同層級(jí)的存儲(chǔ)器之間的成本對(duì)比圖：

你可以看到 L1 Cache 的訪問(wèn)延時(shí)是 1 納秒，而內(nèi)存已經(jīng)是 100 納秒了，相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外，機(jī)械硬盤(pán)的訪問(wèn)延時(shí)更是高達(dá) 10 毫秒，相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍，差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)別。

在價(jià)格上，每生成 MB 大小的 L1 Cache 相比內(nèi)存貴了 466 倍，相比機(jī)械硬盤(pán)那更是貴了 175000 倍。在某東逛了下各個(gè)存儲(chǔ)器設(shè)備的零售價(jià)，8G 內(nèi)存 + 1T 機(jī)械硬盤(pán) + 256G 固態(tài)硬盤(pán)的總價(jià)格，都不及一塊 Intle i5-10400 的 CPU 的價(jià)格，這款 CPU 的高速緩存的總大小也就十多 MB。

總結(jié)

機(jī)械硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)、內(nèi)存這三個(gè)存儲(chǔ)器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

CPU L1 Cache 隨機(jī)訪問(wèn)延時(shí)是 1 納秒，內(nèi)存則是 100 納秒，所以 CPU L1 Cache 比內(nèi)存快 100 倍左右。

SSD 隨機(jī)訪問(wèn)延時(shí)是 150 微秒，所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。

最慢的機(jī)械硬盤(pán)隨機(jī)訪問(wèn)延時(shí)已經(jīng)高達(dá) 10 毫秒，我們來(lái)看看機(jī)械硬盤(pán)到底有多「龜速」：

• SSD 比機(jī)械硬盤(pán)快 70 倍左右；
• 內(nèi)存比機(jī)械硬盤(pán)快 100000 倍左右；
• CPU L1 Cache 比機(jī)械硬盤(pán)快 10000000 倍左右；

我們把上述的時(shí)間比例差異放大后，就能非常直觀感受到它們的性能差異了。如果 CPU 訪問(wèn) L1 Cache 的緩存時(shí)間是 1 秒，那訪問(wèn)內(nèi)存則需要大約 2 分鐘，隨機(jī)訪問(wèn) SSD 里的數(shù)據(jù)則需要 1.7 天，訪問(wèn)機(jī)械硬盤(pán)那更久，長(zhǎng)達(dá)近 4 個(gè)月。

可以發(fā)現(xiàn)，不同的存儲(chǔ)器之間性能差距很大，構(gòu)造存儲(chǔ)器分級(jí)很有意義，分級(jí)的目的是要構(gòu)造緩存體系。

題外話

由于CPU速度非常快，且價(jià)框非常是責(zé)，我們必須得充分壓榨CPU，得像生產(chǎn)隊(duì)的護(hù)一樣，讓它不隔地工作。
為了合理利用CPU的高性期，同時(shí)盡可能地節(jié)約成本。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)格這些存儲(chǔ)器充分的結(jié)合起來(lái)，由于這些硬件的數(shù)據(jù)存取速度差異導(dǎo)改了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)編程中的各種問(wèn)題：有序性、可見(jiàn)性、原子性等。