计算机系统中的存储器主要分以下几个结构：

  • 寄存器
  • Cache（高速缓存）
  • 内存（主存/运行内存）
  • 外存（辅存）

由上到下组成
存储容量：外存 > 内存 > Cache > 寄存器
读写速度：寄存器 > Cache > 内存 > 外存

寄存器（CPU）

存在于 CPU 中，一般只能通过汇编语言进行操作，负责与 Cache 相关的读写操作

Cache（高速缓存）

  1. CPU 和内存之间的中间存储器，目的是为了解决 CPU 和内存之间速度与容量不匹配问题。
  2. 对于开发者来说，它是不可操作的，属于透明状态

  • SRAM相联存储器，特点是按内容存取，原理是把数据或者数据某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读取时并行将该关键字与存储器的每一个单元进行比较，找出存储器内所有与该关键字相同的数据集。

  • 更适合做数据的检索和更新

  • 设置多级高速缓存 Cache可以提高访问的命中率，从而提高主存访问的效率

    • 多级 cache 一般分为一级cache、二级cache、三级cache
    • CPU 在访问主存时，会按顺序去优先访问一级 cache、二级 cache、三级 cache，如果都在 cache 中未命中访问内容，才会去主存中寻找
    • 在 CPU 进行 cache 查找时，需要一级cache拥有跟CPU主频一样快的访问速度
    • 按级别往下数的 cache 容量，它是由小到大的，一级大概为几KB，二级大概为几MB，依此类推

Cache 改善系统性能的依据时程序的局部性原理

  • 时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用，主要体现在循环结构上

  • 空间局部性：一个存储器的位置被引用，将来它附近的位置也会被引用，体现的是顺序执行的过程

  • demo：

const arr = [1, 2, 3, 4, 5, 6]; // 数组内的子项在循环体中按顺序存取，且只会使用一次，因此具有良好的空间局部性
let sum = 0; // sum 在循环体结构中被多次引用，因此它有良好的时间局部性
for (let i = 0; i < array.length; i++) {
  sum += arr[i];
}
console.log("总值为：", sum);

Cache 中的地址映像方法

  • 直接相联映像 ：主存的块与 Cache 块的对应关系是固定的
    • 优点：硬件电路设计、地址变换比较简单
    • 缺点：冲突率较高、灵活性较差
  • 全相联映像 ：主存和 Cache 均分成大小相同的块，允许主存的任意一块可以调入 Cache 存储器的任何一个块的空间中
    • 优点：冲突率较低、主存的块调入 Cache 的位置不受限制，十分灵活
    • 缺点：电路难于设计和实现，只适用于小容量的 cache；无法从主存块号中直接获取 Cache 的块号，变换比较复杂，速度较慢
  • 组相联映像 ：
    • 将 Cache 的块再分成组，组采用直接相联映像方式而块采用全相联映像方式。即主存中任何区块的 0 组只能存储到 Cache 的 0 组中，依此类推。组内的块亦采用的是全相联映像方式，即一组内的块可以任意存放。进而可以理解主存一组（z0）中的任意一块可以存入Cache 相应组（c0）中的任意一个块中。
    • 优（缺）点：适用于直接相联映像和全相联映像的折中

Cache 淘汰算法

  • 常见淘汰算法：

    • 随即替换算法 RAND（random）：

      • 使用随机数发生器生成需要替换的块号，再将需要被替换的块号替换出去，以此达到随即替换过程
      • 这种以随机数形式来决定淘汰的方式，常被称为“随缘”、“佛系”淘汰

    • 先进先出算法 FIFO（First in First out）：

      • 可以理解为队列的操作，它会将最先进入 Cache 的信息替换出去淘汰

    • 近期最少使用算法 LRU（Least Recently Used）：

      • 语义化理解就是，会将近期最久未使用的 cache 中的信息块替换出去淘汰，cache 中的信息块存放时间越久，越优先淘汰

    • 最不频繁使用算法 LFU（Least Frequently Used）：

      • 引用计数器记录访问页面次数，访问次数越多，淘汰率越低

    • 优化替换算法：

      • 需要先执行一遍程序，统计 cache 的替换情况，在下次执行时才会根据最有效的方式进行替换

  • 读写过程（三种）：

    Cache 内容是对主存内容的直接复制，在复制完成之后，Cache 才会在 CPU 调度下被使用，在使用过程中如果存在对 Cache 的修改，则会产生跟主存之间不一致的情况，这时候我们需要下面读写算法进行区分修改情况

    • 写直达：同时写 Cache 和内存，效率慢、性能损耗大
    • 写回：只写 Cache，淘汰页面时，写回内存
    • 标记法：只写内存，并将标志位清零，若是再用到此数据，只需要再次调取即可
      • 每次修改，直接修改内存，修改时同时对Cache做修改标志，在后续再使用该数据时，就可以直接从主存重新调取数据，反之则从 Cache 中返还，不用则不再调取

内存（主存）

内存在与 Cache 进行交互，是通过硬件实现的，反之同理

  • 由DRAM/RAM构成，其特点是在系统异常重启/切断电源后，会丢失存储的数据。与其相反的则是ROM（只读存储器），一般会拿来存储BIOS相关内容

外存（辅存）

外存在与内存的交互，则是通过软件和硬件结合实现的，反之同理

  • 外存指的是电脑硬盘或外部附加的存储器，如 SSD 固态硬盘、机械硬盘、光盘、U 盘等