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注意：时钟周期的现实长度是CPU主频的倒数

1.计算机存储结构

现代CPU的缓存一般分为三个层次，L1,L2,L3。我们称为“三级缓存‘
在CPU之外，还有RAM和Disk作为大容量的存储器。

各个层级的速度和空间大小可以参照上图，图中以普通的家用计算机为例子粗略的估计了数据，请不要有刻板的印象(不同配置的机器可能产生较大的误差)，而且不是所有CPU都按照三级缓存的结构进行存储的。但是绝大多数现代计算机的CPU都按照此种结构。

本文的目的绝不是详细的阐述CPU的工作原理，而是使得读者对CPU的缓存有一个认知，哪怕推出四级缓存，也能举一反三的理解其工作原理。

借图：
在这里插入图片描述

(1) L1缓存

L1缓存分成两部分，指令缓存和数据缓存，指令缓存用于存储最近使用的指令，而数据缓存则存储最近使用的数据。

L1缓存是最接近CPU核心的，速度最快，但是空间最小。

(2) L2缓存

现代多核心CPU中，一般每个核心都拥有一个L2缓存，相对于L1缓存而言，L2空间的更大，但是也更缓慢。

(3) L3缓存

在现代CPU中，往往多个核心拥有共同的一个L3缓存，相对L2缓存，L3远离核心，更加缓慢，空间更大

(4) RAM

RAM的全称是random-access memory，随机访问内存，或者随机存储器，它的速度相对于L3更加缓慢，但是空间几何倍的增长。

也就是和我们俗称的“内存条”差不多是一个概念。

(5) Disk

Disk就是我们常说的硬盘，一般分为两种，SSD(固态硬盘)和HDD(机械硬盘)，现代的计算机很少见到机械硬盘了，固态硬盘的访问速度相对于RAM来讲，要断崖式的下降，但是可用空间也是爆炸式的增长。

2.是什么造成访问速度差异

  • 空间的差异：更小的空间有利于快速定位数据
  • 离CPU核心的远近 : L1一般离核心的距离较近，需要通过更短的距离
  • 制程不同 : 在设计上L1往往更加倾向于速度，电路排布方式等存在差异

3.读取数据的大概流程

命中 : 这里指在指定存储器里能发现这个数据
我们可以去这样理解，但是CPU其实不是按照这个步骤去执行的。

  1. 检查L1是否能被命中
    • 命中L1，处理数据并结束
    • 未能命中L1，继续步骤2
  2. 检查L2能否被命中
    • 命中L2 ，填充数据到L1并回到步骤1
    • 未命中L2，继续步骤3
  3. 检查L3能否命中
    • 命中L3，填充数据到L2，回到步骤2
    • 未命中L3，继续步骤4
  4. 检查RAM是否命中
    • 命中RAM，填充数据到L3，回到步骤3
    • 未命中RAM，继续步骤5
  5. 等待数据写入到RAM(手动分配或者从Disk)
    • 写入后，回到步骤4

4.如何保证较高的缓存命中率

让我们回到这张图，我们将以这张图的结构为例进行分析。
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  • 无论CPU有几个核心，任意一个最近读取过的数据都会被放置在L3，但是L3有限，可能出现覆盖，只要最近读取过的，都会被缓存到L3，都会很快，这一规则不考虑CPU核心
  • 对于每个核心，最近读取过的数据会写入L2，会比跨核心的L3缓存更快，每个核心如果可能的话单独处理一片数据
  • 选用缓存友好的数据结构，例如数组+结构体的形式，可以保证最近的一片数据都进入缓存。接下来要读写相邻的数据才能命中缓存(连续读写)。
  • 主动向缓存存储数据
  • 确保多线程程序中的数据不会因为缓存行（cache line）的冲突而降低性能。这涉及到合理地对数据进行布局，以避免多线程访问相同缓存行
  • 循环优化： 优化循环结构，以确保循环中的数据访问模式有利于缓存性能。例如，避免多次访问相同数据或跨越缓存行的数据。
  • 局部变量通常更容易放入高速缓存中。
  • 避免大数据集：如果所取的数据超出了缓存，将不可避免的借用下级的存储器

5.缓存行冲突

缓存行：是在主内存和高速缓存之间传输的最小粒度(大概64字节，取决于架构)，例如从主内存读取一个数据，会直接读取这个地址往后的一个缓存行。

  1. 伪共享：多个线程从同一个缓存行取数据，出现缓存一致性开销，一般出现在多个线程访问相同数据结构时。
  2. 缓存行填充： 当一个线程加载一个缓存行中的数据时，整个缓存行通常会被加载到CPU的缓存中。如果其他线程稍后尝试访问相同缓存行的其他数据，就可能导致冲突。

解决方案：

  1. 建议使用”内存对齐“：尽量使得数据按照缓存行的边界进行对齐。
  2. 使用缓存填充： 在共享数据结构的字段之间插入填充字段，以确保它们不会位于同一缓存行中。
  3. 使用原子操作： 使用原子操作可以避免多线程同时访问同一缓存行的问题，但要注意原子操作可能引入性能开销。
  4. 使用线程局部存储： 每个线程使用自己的缓存行副本，而不是共享相同的缓存行，可以避免缓存行冲突。
  5. 使用非缓存内存： 在某些情况下，可以使用非缓存内存（例如volatile关键字）来禁用缓存，以避免缓存行冲突。但要小心，因为这可能会引入性能开销。

6.缓存一致性原理

我们假设，如果核心1修改了内存里的数据时，而核心2却早已缓存了这个数据。
那么就将导致差异性。

而缓存一致性协议就是解决这个问题的，如果核心1修改了内存数据，就要更新其他核心的缓存数据。

这也是我们需要避免的事情。