計算機中的層次化存儲是個什麼鬼？

寫在前面

擼代碼只是程序員的一項最基本的技能，除此以外，還有不少知識須要程序員掌握。【程序員進階系列】專題，旨在分享程序員想要進一步提高自我，突破發展瓶頸的一系列技術。今天，咱們來一塊兒聊聊計算機中的層次化存儲結構。

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層次化存儲結構

首先，問小夥伴們一個問題：計算機的存儲結構爲何須要進行層次化的劃分呢？

說的直接一點：就是爲了減小經濟成本。若是說，CPU的價格很是便宜的話，根本就不須要內存了。能夠把全部的內存容量所有都作到CPU裏面去，就能夠了。可是，事實上，CPU的內存是很精貴的，至今爲止，CPU中基本上仍是一級緩存和二級緩存。三級緩存比較少見。並且，CPU中的存儲容量是很是小的，基本都是KB級別的存儲，CPU的內存容量也就幾KB，MB級別的CPU內存也是比較少見的。因此，出於經濟成本的考慮，計算機中的存儲結構是按照層次進行劃分的。

爲了可以讓小夥伴們更加清晰的理解層次化存儲結構，咱們先來看一張圖。

由上圖，能夠看出：

（1）層次化的存儲結構能夠分爲：CPU、Cache（高速緩存）、主存（內存）、外存（輔存）。

（2）從上往下，速度愈來愈慢，容量愈來愈大。

局部性原理是層次化存儲結構的支撐。

局部性原理

一個編寫良好的計算機程序經常具備良好的局部性。也就是說。它們傾向於引用臨近於其餘最近引用過的數據項的數據項，或者最近引用過的數據項自己。這彙總傾向性，就被稱爲局部性原理，這是一個持久的概念，對硬件和軟件系統的設計和性能都有着極大的影響。

之因此有這個規律，不少人認爲緣由是：程序的指令大部分時間是順序執行的，並且程序的集合，如數組等各類數據結構是連續存放的。

局部性原理講的是：在一段時間內，整個程序的執行僅限於程序的某一部分，相應地，程序訪問的存儲空間也侷限於某個內存區域。主要分爲兩類：

• 時間局部性：若是程序中的某條指令一旦執行，則不久以後該指令可能再次被執行；若是某數據被訪問，則不久以後該數據可能再次被訪問。
• 空間局部性：是指一旦程序訪問了某個存儲單元，則不久以後，其附近的存儲單元也將被訪問。

Cache

針對Cache相關的技術，咱們主要來聊聊Cache的概念和映像相關的技術。

Cache-概念

這裏的Cache表示的是高速緩衝，在計算機的存儲體系系統中，Cache是除寄存器外訪問速度最快的層次。 使用Cache改善系統性能的依據是程序的局部性原理 。

若是以h表明對Cache的訪問命中率，t1表示Cache的週期時間，t2表示主存儲器的週期時間，以讀操做爲例，使用「Cache+主存儲器」的系統的平均週期爲t3，則能夠得出以下運算公式。

t3 = h * t1 + (1 - h) * t2

其中。(1 - h)又稱爲失效率，也就是未命中率。

Cache-映像

Cache的映像分爲三種，分別是：直接相聯映像、全相聯映像、組相聯映像。

• 直接相聯映像：硬件電路比較簡單，但衝突率最高。
• 全相連映像：電路難於設計和實現，只適用於小容量的Cache，衝突率比較低。
• 組相聯映像：直接相聯與全相聯的折中。

地址映像是將主存與Cache的存儲空間劃分爲若干大小相同的頁（或稱爲塊）。

例如，一臺計算機的主存容量爲1GB，劃分爲2048頁，每頁512KB；Cache的容量爲8MB，劃分爲16頁，每頁512KB。接下來，咱們由此來詳細圖解直接相聯映像、全相聯映像和組相聯映像。

直接相聯映像

咱們能夠畫一組圖來表示Cache的直接映像。首先，咱們先來簡單畫一個主存標記、Cache頁號和頁內地址的示意圖。以下所示。

如上圖所示，主存標記爲7位，Cache頁號爲4位，頁內地址爲19位。

記錄主存區號的示意圖以下所示。

有了上面兩張圖的基礎後，咱們再來看直接相聯映像的示意圖以下所示。

這裏，咱們將容量爲1GB的主存劃分紅2048頁，總共127個區，每頁的容量爲512KB。將容量爲8MB的Cache劃分爲16頁，每頁容量爲512KB。

所謂直接相聯映像是指Cache中的0頁只能存儲主存中0頁的內容，這裏主存中0頁指的是每一個區的0頁，好比上圖中的0區的0頁，1區的16頁，127區的2032頁等。

在直接相聯映像中，只須要記錄主存標記、Cache頁號和頁內地址就可以快速的找到主存中的數據。

使用直接相聯映像有個缺點：那就是若是Cache中的0頁，存儲了主存中0區0頁的內容時，若是此時須要存儲主存1區中的16頁內容，就只能將主存0區中0頁的內容從Cache的0頁中清除，而後將主存1區中16頁的內容存儲到Cache中的0頁內。衝突率比較高。細心的小夥伴會發現：這實際上是違背局部性原理的。

直接相聯映像訪問速度最快，但衝突率最高。

全相連映像

咱們先來看下全相聯映像的主存頁標記和頁內地址的示意圖，以下所示。

此時，使用11位來標識主存頁標記，使用19位來標識頁內地址。

使用全相連映像須要記錄主存與Cache的對應關係，以下圖所示。

接下來，咱們來看看全相連映像的示意圖，以下所示。

從圖中能夠看出，Cache中的任何一個也，均可以存儲主存中的任何一個頁。

使用全相連映像訪問速度最慢，衝突率最低。

組相聯映像

組相聯映像本質上是直接相聯映像和全相聯映像的折中。一樣的，咱們先來看組相連映像的存儲示意圖。

此時，在組相連映像中，Cache組號使用3位表示，組內頁號使用1位表示，頁內地址使用19位表示。其中，3位的Cache組號，1位的組內頁號和前面的7位構成了主存頁標記；3位的Cache組號，1位的組內頁號和19號的頁內地址構成了Cache地址。

接下來，咱們再來看看主存與Cache的對應關係，以下圖所示。

組相連的映像示意圖以下所示。

由上圖可知，在組相連映像中，主存的組與Cache的組是組相聯映像關係，而在組內則是經過直接相聯映像來訪問和存儲數據。

好了，我已經肝不動了。今天就到這兒吧，我是冰河，你們有啥問題能夠在下方留言，也能夠加我微信：sun_shine_lyz，我拉你進羣，一塊兒交流技術，一塊兒進階，一塊兒牛逼~~