重学操作系统（四）
前言
这篇文章，记录下存储器相关的一些知识，涉及到L1 Cache，SSD，内存的一些问题。接下来还是贯穿全文的一个问题
SSD、内存和 L1 Cache 相比速度差多少倍？
存储器分级
为什么有存储器分级策略
因为我们希望的存储器是，体积小，空间大，功耗低，散热好，速度快。但是这种存储器是不存在的，现阶段，没有存储器能同时满足所有优点。
存储器分级策略
上图很明显看出，存储器主要分6级。
寄存器
紧挨着CPU的控制单元和逻辑单元，所使用的材料也是最快的。存储速度快，能耗高，产热大，花费高。所以数量不能很多。
32位CPU中寄存器大多能存4个字节的内容
64位CPU中寄存器大多能存8个字节的内容
寄存器访问很快，一般要求半个CPU周期内完成读写。
L1-Cache
L1 缓存在CPU中，虽然它离CPU更近，但是它造价低，通常L1缓存大小在几十Kb到几百Kb，读写速度大概是2-4个CPU周期。
L2-Cache
L2缓存也在CPU中，但是比L1缓存离CPU远。它大小比L1缓存大，能达到几M，速度是10 - 20个CPU周期。
L3-Cache
L3缓存在CPU中，比L2缓存离CPU更远。大小通常大于L2缓存，可以达到十几或者几十M，读写时间是20 - 60个CPU周期。
内存
内存主要材料是半导体硅，主要插在主板上，距离CPU有一定的距离，需要总线，才能和CPU连接。它体积大，造价远低于前面的存储器。内存可以达到几G到几T这个范围的存储空间。它的读写速度是200 - 300个CPU周期
SSD和硬盘
SSD：固态硬盘，结构类似内存，但是断电后数据能保存。内存，缓存，寄存器，断电后数据消失。内存读写速度比SSD快了10 - 1000倍，而比硬盘快了大概100万倍。因此SSD逐渐取代硬盘。
当CPU需要内存中的某个数据，查询流程是：
寄存器（如果没有）-> L1缓存（如果没有）-> L2缓存（如果没有）-> L3缓存（如果没有）->内存
缓存条目结构
无论内存还是缓存，都是线性存储器，数据一个挨着一个存储。如果内存是一列表格，那么缓存是一个多列表格，每个表格中的每一行，叫做缓存条目。
方案
数学方法：
比如100个内存地址，但是10个缓存条目。内存地址编号0 - 999，缓存条目编号0 - 9。比如701编号的内存，用数学方法，通过”地址 % 缓存条目数”这种方式，确定它的缓存条目。
指令预读
由于CPU执行指令速度很快，一般2 - 6个周期能执行完毕，但是CPU读取内存速度，要200 - 300个周期，因此，CPU不能在内存中读一条指令就执行，如果这样，每个指令执行要200 - 300个周期。
解决方法：
将L1缓存分为指令区和数据区，为了避免数据缓存覆盖指令缓存。然后CPU把内存中的指令预读几十或者上百条，存到L1缓存。L1缓存读写速度是2 - 4个周期，因此可以跟上指令执行的速度。L2和L3不协助处理指令预读的问题，因此它们不需要被分为指令区和数据区。
缓存的命中率
和缓存命中相反的是，miss，缓存穿透。一般三级缓存的命中率在95%，只有大概5%的内存读取会穿透。
缓存置换
L1缓存满了，再次读内存，需要将旧条目移除，新条目存入，就叫缓存置换。
总结
回到开头的问题，我们可以得到，内存比SSD快10 - 1000倍，L1 Cache比内存快100倍。因此L1 Cache比SSD快1000 - 100000倍。
思考
假设有一个二维数组，共有1M个条目，如果遍历数组，是逐行遍历还是逐列遍历？
Answer：
逐行遍历，因为二维数组是每行是一个一维数组。元素存在一维数组内是连续的，因此逐行遍历，能一次将这些连续地址加载到缓存，提高了缓存命中率。并且逐行遍历，内存页交换次数会增加很多（最差情况，每遍历一个元素就交换一次）。这种情况可以通过增大物理内存解决。
