大家好，我是風(fēng)箏

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

比如說一個互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在性能方面會要求接口的平均響應(yīng)時間為1秒以內(nèi)，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(fā)說，我把這個接口的響應(yīng)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(fù)雜的了，這里只說核心部件抽象出來的最簡化的一個結(jié)構(gòu)，如下圖所示，主要就是這幾塊兒構(gòu)成：

輸入、輸出設(shè)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(nèi)存，也就是內(nèi)存條的那個內(nèi)存，比如我的電腦是 16G內(nèi)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(wù)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(guān)系

主存，也就是前面說的 DRAM 。DRAM 是一種內(nèi)存類型，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，是計算機系統(tǒng)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(shù)據(jù)和指令，以提高數(shù)據(jù)訪問速度。比如我運行IDEA要占去好幾個G的內(nèi)存，數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(nèi)核工作的次數(shù)。時鐘頻率越高，CPU的工作速度越快。

每個時鐘周期，CPU可以執(zhí)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(zhí)行2.667億條指令。1秒執(zhí)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(zhí)行指令的最基本單位。在一個時鐘周期內(nèi)，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(zhí)行數(shù)以億計的指令數(shù)，那對應(yīng)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(tǒng)、企業(yè)與云計算》中的一個關(guān)于系統(tǒng)延時的表格，這個表是針對 3.3GHz 時鐘頻率的計算結(jié)果。

一個 CPU 周期當做一個基本單位，和現(xiàn)實世界中的1秒做對應(yīng)關(guān)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(xiàn)實世界的1秒鐘足夠計算機干很多事兒了。