大家都知道內存和硬盤都屬于計算機的存儲設備，斷電后內存的數(shù)據(jù)是會丟失的，而硬盤則不會，因為硬盤是持久化存儲設備，同時也是一個 I/O 設備。

其實 CPU 內部也有存儲數(shù)據(jù)的組件，比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是屬于存儲設備，只不過它們能存儲的數(shù)據(jù)非常小，但是它們因為靠近 CPU 核心，所以訪問速度都非常快，快過硬盤好幾個數(shù)量級別。

問題來了，那機械硬盤、固態(tài)硬盤、內存這三個存儲器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

在回答這個問題之前，我們先來看看「存儲器的層次結構」，好讓我們對存儲器設備有一個整體的認識。

存儲器的層次結構

我們想象中一個場景，程序汪小劉同學準備轉行了，在準備法考，為了營造氣氛，就去附近自習室學習。那么，在看書的時候，我們的大腦會思考問題，也會記憶考點，另外我們通常也會把常用的書放在自己的桌子上，當我們要找一本不常用的書，則會回家去拿或者去附近的圖書館找一找。

就是這么一個場景，已經(jīng)把計算機的存儲結構基本都涵蓋了。

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，中文稱為 CPU 高速緩存，處理速度相比寄存器慢了一點，但是能存儲的數(shù)據(jù)也稍微多了一些。

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

寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 內部，跟 CPU 挨著很近，因此它們的讀寫速度都相當?shù)目欤悄艽鎯Φ臄?shù)據(jù)很少，畢竟 CPU 就這么丁點大。

再來看看 CPU 外部的存儲器。

當我們大腦記憶中沒有資料的時候，可以從書桌拿書來閱讀，那我們桌子上的書，就好比內存，我們雖然可以一伸手就可以拿到，但讀寫速度肯定遠慢于寄存器，

那圖書館里資料或者在家里的書，就好比硬盤，能存儲的數(shù)據(jù)非常大，但是讀寫速度相比內存差好幾個數(shù)量級，更別說跟寄存器的差距了。

對于存儲器，它的速度越快、能耗會越高、而且材料的成本也是越貴的，以至于速度快的存儲器的容量都比較小。

存儲器通常可以分為這么幾個級別：

• 寄存器；
• CPU Cache；

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

• 內存；
• SSD/HDD 硬盤

寄存器

最靠近 CPU 的控制單元和邏輯計算單元的存儲器，就是寄存器了，它使用的材料速度也是最快的，因此價格也是最貴的，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，每個寄存器可以用來存儲一定的字節(jié)（byte）的數(shù)據(jù)。比如：

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

寄存器的訪問速度非常快，一般要求在半個 CPU 時鐘周期內完成讀寫，CPU 時鐘周期跟 CPU 主頻息息相關，

舉個例子，主頻為3.0GHZ的CPU，一個時鐘周期大約是0.3納秒，內存訪問大約需要120納秒，固態(tài)硬盤訪問大約需要50-150微秒，機械硬盤訪問大約需要1-10毫秒，最后網(wǎng)絡訪問最慢，得幾十毫秒左右。 這個大家可能對時間不怎么敏感，那如果我們把一個時鐘周期如果按1秒算的話，內存訪問大約就是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)絡訪問就得幾年了！

CPU Cache

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

SRAM 之所以叫「靜態(tài)」存儲器，是因為只要有電，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，也稱為一級緩存、二級緩存、三級緩存。

內存

內存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一種叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，動態(tài)隨機存取存儲器） 的芯片。

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

DRAM 存儲一個 bit 數(shù)據(jù)，只需要一個晶體管和一個電容就能存儲，但是因為數(shù)據(jù)會被存儲在電容里，電容會不斷漏電，所以需要「定時刷新」電容，才能保證數(shù)據(jù)不會被丟失，這就是 DRAM 之所以被稱為「動態(tài)」存儲器的原因，只有不斷刷新，數(shù)據(jù)才能被存儲起來。

DRAM 的數(shù)據(jù)訪問電路和刷新電路都比 SRAM 更復雜，所以訪問的速度會更慢，內存速度大概在 200~300 個 時鐘周期之間。

SSD/HDD 硬盤

SSD（Solid-state disk） 就是我們常說的固體硬盤，結構和內存類似，但是它相比內存的優(yōu)點是斷電后數(shù)據(jù)還是存在的，而內存、寄存器、高速緩存斷電后數(shù)據(jù)都會丟失。內存的讀寫速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。

當然，還有一款傳統(tǒng)的硬盤，也就是機械硬盤（Hard Disk Drive, HDD），它是通過物理讀寫的方式來訪問數(shù)據(jù)的，因此它訪問速度是非常慢的，它的速度比內存慢 10W 倍左右。

由于 SSD 的價格快接近機械硬盤了，因此機械硬盤已經(jīng)逐漸被 SSD 替代了。

存儲器的層次關系

現(xiàn)代的一臺計算機，都用上了 CPU Cahce、內存、到 SSD 或 HDD 硬盤這些存儲器設備了。存儲空間越大的存儲器設備，其訪問速度越慢，所需成本也相對越少。

CPU 并不會直接和每一種存儲器設備直接打交道，而是每一種存儲器設備只和它相鄰的存儲器設備打交道。比如，CPU Cache 的數(shù)據(jù)是從內存加載過來的，寫回數(shù)據(jù)的時候也只寫回到內存，CPU Cache 不會直接把數(shù)據(jù)寫到硬盤，也不會直接從硬盤加載數(shù)據(jù)，而是先加載到內存，再從內存加載到 CPU Cache 中。

所以，存儲層次結構也形成了緩存的體系。

價格和性能的權衡

前面我們知道了，速度越快的存儲器，造價成本往往也越高，那我們就以實際的數(shù)據(jù)來看看，不同層級的存儲器之間的性能和價格差異。

下面這張表格是不同層級的存儲器之間的成本對比圖：

你可以看到 L1 Cache 的訪問延時是 1 納秒，而內存已經(jīng)是 100 納秒了，相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外，機械硬盤的訪問延時更是高達 10 毫秒，相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍，差了好幾個數(shù)量級別。

在價格上，每生成 MB 大小的 L1 Cache 相比內存貴了 466 倍，相比機械硬盤那更是貴了 175000 倍。在某東逛了下各個存儲器設備的零售價，8G 內存 + 1T 機械硬盤 + 256G 固態(tài)硬盤的總價格，都不及一塊 Intle i5-10400 的 CPU 的價格，這款 CPU 的高速緩存的總大小也就十多 MB。

總結

機械硬盤、固態(tài)硬盤、內存這三個存儲器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

CPU L1 Cache 隨機訪問延時是 1 納秒，內存則是 100 納秒，所以 CPU L1 Cache 比內存快 100 倍左右。

SSD 隨機訪問延時是 150 微秒，所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。

最慢的機械硬盤隨機訪問延時已經(jīng)高達 10 毫秒，我們來看看機械硬盤到底有多「龜速」：

• SSD 比機械硬盤快 70 倍左右；
• 內存比機械硬盤快 100000 倍左右；
• CPU L1 Cache 比機械硬盤快 10000000 倍左右；

我們把上述的時間比例差異放大后，就能非常直觀感受到它們的性能差異了。如果 CPU 訪問 L1 Cache 的緩存時間是 1 秒，那訪問內存則需要大約 2 分鐘，隨機訪問 SSD 里的數(shù)據(jù)則需要 1.7 天，訪問機械硬盤那更久，長達近 4 個月。

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

題外話

由于CPU速度非常快，且價框非常是責，我們必須得充分壓榨CPU，得像生產(chǎn)隊的護一樣，讓它不隔地工作。
為了合理利用CPU的高性期，同時盡可能地節(jié)約成本。現(xiàn)代計算機格這些存儲器充分的結合起來，由于這些硬件的數(shù)據(jù)存取速度差異導改了計算機系統(tǒng)編程中的各種問題：有序性、可見性、原子性等。