大家好，我是風箏

我們平時在開發的時候，凡涉及到時間的場景，一般就是在做性能測試和優化的時候了。

比如說一個互聯網系統，在性能方面會要求接口的平均響應時間為1秒以內，或者幾百毫秒。在軟件項目中，最小的時間單位可能也就是毫秒了。

反正我是沒碰到過有人說毫秒以下的單位了。比如某個開發說，我把這個接口的響應時間減少了10納秒。那我們會想，這莫不是個傻子吧。

但是，在計算機中（主要指硬件層面），1秒鐘能干的事兒簡直太多了。

計算機的主要組成

計算機的組成當然是很復雜的了，這里只說核心部件抽象出來的最簡化的一個結構，如下圖所示，主要就是這幾塊兒構成：

輸入、輸出設備

這就不用多說了，就是什么鍵盤、鼠標、顯示器之類的。

主存儲器DRAM

也就是我們平常說說的內存，也就是內存條的那個內存，比如我的電腦是 16G內存，也就是DRAM有16個G。

中央處理器（CPU）

毋庸置疑，這是計算機的靈魂所在，計算機之說以叫計算機，是因為它主要就是為了完成運算任務的，而CPU就是干這個的。

CPU 又包括比較核心的控制器、運算器和高速緩存。

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主存和高速緩存的關系

主存，也就是前面說的 DRAM 。DRAM 是一種內存類型，用于存儲程序和數據，是計算機系統中的主要存儲器件。而高速緩存是一種臨時存儲器，用于存儲 CPU 訪問頻繁的數據和指令，以提高數據訪問速度。比如我運行IDEA要占去好幾個G的內存，數據是存在DRAM中的，高速緩存可沒有這么大空間。

另外，高速緩存的訪問速度比 DRAM 快得多，CPU 的高速緩存是距離 CPU 最近的存儲器，速度比內存（包括DRAM）快很多，可以與 CPU 同步工作。而DRAM的訪問速度相對較慢，通常比高速緩存慢幾個數量級。

高速緩存又分為L1、L2、L3四個級。L1 緩存是最接近 CPU 核心的一級緩存，速度最快，容量較小；L2 緩存位于 L1 緩存和主內存之間，速度比 L1 緩存慢一些，容量較大一些；L3 緩存是最靠近主內存的一級緩存，速度比 L1 和 L2 緩存都要慢一些，容量最大。

整個計算機有一個存儲器層級結構劃分，如下圖所示。L0 也就是CPU運算器中的寄存器，從上到下速度越來越慢，但是容量越來越大。

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時鐘周期

終于開始點題了， 計算機1秒能干多少事兒，這里的事兒反應到CPU上就是一個個的指令。比如最簡單的指令包括讀寫寄存器、訪問高速緩存、加減運算等等。

最簡單的原子指令可以在一個很短的時間段內完成，這個時間段有一個特別的名稱，叫做時鐘周期。

我們查看電腦配置的時候有一個指標是 XXX MHz（赫茲），比如我的電腦是 2667 MHz，也就是 2.6GHz，這個指標叫做時鐘頻率。

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時鐘頻率是指計算機中央處理器CPU的工作頻率，表示每秒鐘CPU內核工作的次數。時鐘頻率越高，CPU的工作速度越快。

每個時鐘周期，CPU可以執行一條指令。所以說，我這臺電腦 - 2.667 GHz，相當于CPU每秒鐘可以執行2.667億條指令。1秒執行2.667億條指令，好家伙，確實是快呀，想想就累啊，可見CPU也是蠻辛苦的。

時鐘周期是CPU執行指令的最基本單位。在一個時鐘周期內，CPU僅完成一個最基本的動作。

計算機一些常見操作耗時

普通計算機一秒就能執行數以億計的指令數，那對應到一些常見操作上的耗時是多少呢？

下面這個表是摘自《性能之巔：洞悉系統、企業與云計算》中的一個關于系統延時的表格，這個表是針對 3.3GHz 時鐘頻率的計算結果。

一個 CPU 周期當做一個基本單位，和現實世界中的1秒做對應關系，可以看出CPU到底有多快，而和CPU比起來，其他操作到底有多慢。即便對于CPU來說，其他操作很慢，但是現實世界的1秒鐘足夠計算機干很多事兒了。