操作系统入门到成神系列 二磁盘比内存慢几万倍？

Posted 2022-04-22 爱敲代码的小黄

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文章目录

• • 磁盘比内存慢几万倍？
  • • 一、引言
    • 二、存储器的层次结构
    • • 1. 寄存器
      • 2. CPU Cache
      • • 2.1 L1 高速缓存
        • 2.2 L2 高速缓存
        • 2.3 L3 高速缓存
      • 3. 内存
      • 4. SSD/HDD 硬盘
    • 三、存储器的层级关系
    • 四、存储器之间的实际价格和性能差距

磁盘比内存慢几万倍？

内存和硬盘都属于计算机的存储设备，断电后内存中的数据会丢失的，而硬盘不会，因为硬盘是一个 持久化的存储设备，也是一个 I/O 设备。

我们CPU内部也有存储数据的组件，比如：寄存器、CPU L1、L2、L3 Cache 也属于存储设备。

那问题来了，我们这些存储设备，谁的速度最快，谁的速度又最慢呢？

一、引言

本文参考 小林coding 的《图解操作系统》，也是我十分喜欢的一个公众号博主，为他打 call

老读者知道我之前再写 Kafka 的博文，为什么突然开始写操作系统的呢？

原因在于：

当我看到 Kafka 服务端的一些 IO 操作时，我发现我看不懂了，了解之后发现这里 Netty 的概念。

当我尝试了解 IO 时，我发现一些内存、磁盘的交换，搞的我焦头烂额，于是，想静下心来从头开始。

当我把 小林coding 的 《图解操作系统》看完之后，我发现对操作系统的理解更上一层楼。

用一段话，作为今天的开场白：

读书的根本目的，未必是解决现实问题，它更像一场心灵的抚慰。
一个喜欢读书的人，可能不会记得自己读过哪些书。
但是那些看过的故事、收获的感悟、浸染过的气质，就像一颗种子，会在你的身体里慢慢发芽长大，不断提升你的认知，打开你的视野。

二、存储器的层次结构

大学准备考试了，你去图书馆临时抱佛脚。那么在看书的时候，我们的大脑会思考问题，也会记忆知识点。另外，我们通常也会把常用的书摆在自己的桌子上，当我们找一本不常用的书时，需要去书架进行寻找。

图书馆的例子对比我们的存储结构：

• 大脑思考问题：寄存器

• 记忆知识点：L1、L2、L3 Cache

• 常用的书：内存

• 书架的书：磁盘

对于存储器，它的速度越快、能耗会越高、而且材料的成本也是越贵的，以至于速度快的存储器的容量都比较小。

存储器的级别一般如下：

• 寄存器
• CPU Cache
  • L1-Cache
  • L2-Cache
  • L3-Cache
• 内存
• SSD/HDD 硬盘

1. 寄存器

寄存器的数量通常在几十到几百之间，寄存器的访问速度非常快，一般在半个CPU时钟周期完成读写。

比如 2 GHz 主频的CPU，时钟周期 = 1 / 2G = 0.5ns（纳秒）

• 32 位的寄存器可以存储 4 个字节
• 64 位的寄存器可以存储 8 个字节

2. CPU Cache

CPU Cache 使用的是一种 SRAM 的芯片，只要有电，数据就可以一直存在，而一旦断电，数据就会丢失。

一个 SRAM 芯片。一个 bit 的数据，通常需要 6 个晶体管。

CPU Cache 可以分 L1、L2、L3 三级高速缓存：

2.1 L1 高速缓存

时间：2-4 个时钟周期

大小：32KB + 32KB

组成：指令缓存和数据缓存

2.2 L2 高速缓存

时间：10-20 个时钟周期

大小：256KB

组成：数据缓存

2.3 L3 高速缓存

时间：20-60 个时钟周期

大小：3M

组成：数据缓存

3. 内存

内存使用的是 DRAM 的芯片，一个 bit 的数据，只需要一个晶体管和一个电容就能存储。内存速度大概在 200-300 时钟周期。

4. SSD/HDD 硬盘

SSD 我们常说的固态硬盘，相对内存最大的优点是：断电后可以保存数据。内存读写速度比SSD快 10-1000 倍。

HDD 我们常说的机械硬盘，内存的读写速度比HDD快 10W 倍。

三、存储器的层级关系

CPU 不会和每一种存储器设备打交道，每一种存储器只会和他们相邻的存储器设备打交道。

比如：CPU Cache 的数据是从内存加载过来的，写回数据的时候也只写回到内存，CPU Cache 不会直接把数据写到硬盘，也不会直接从硬盘加载数据，而是先加载到内存，再从内存加载到 CPU Cache 中。

所以，每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道，并且存储设备为了追求更快的速度，所需的材料成本必然也是更高，也正因为成本太高，所以 CPU 内部的寄存器、L1、L2、L3 Cache 只好用较小的容量，相反内存、硬盘则可用更大的容量，这就我们今天所说的存储器层次结构。

当然，由于存储器的和相邻的存储器打交道，我们的CPU访问内存数据的时候，会先访问寄存器，寄存器找不到会去 L1 Cache 以此类推。

四、存储器之间的实际价格和性能差距

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