（学习笔记）1.6 存储设备形成层次结构

文章目录

• 线索栏
• 笔记栏
• • 1.核心观点
  • 2.详细分析
  • • 1）层次结构的构成与趋势（见图1-9）
    • • 组织方式
      • 变化趋势（从上到下）：
      • 具体层级示例：
    • 2）层次结构的核心工作原则
    • • 缓存思想
      • 数据流动
      • 具体缓存链：
    • 3）对程序员的意义
• 总结栏

线索栏

笔记栏

1.核心观点

计算机系统中不同速度、容量和成本的存储设备被组织成一个存储器层次结构，其核心思想是用更小、更快、更贵的存储设备作为更大、更慢、更便宜的存储设备的高速缓存，从而在成本和速度之间取得最佳平衡。

2.详细分析

1）层次结构的构成与趋势（见图1-9）

组织方式

所有存储设备被组织成一个金字塔形的层次结构。

变化趋势（从上到下）：

（1）速度：越来越慢 （2）容量：越来越大 （3）每字节成本：越来越便宜

具体层级示例：

（1）L0：寄存器​ 在CPU内部，速度最快，容量最小（KB级）。 （2）L1-L3：高速缓存（SRAM） 在CPU芯片上或附近，速度极快，容量较小（KB-MB级）。 （3）L4：主存（DRAM）​ 速度较慢，容量较大（GB级）。 （4）L5：本地二级存储（磁盘）​ 速度慢，容量大（TB级），持久化。 （5）L6：远程二级存储（分布式文件系统、云存储）​ 速度最慢（受网络限制），容量近乎无限。

2）层次结构的核心工作原则

缓存思想

上一层的存储设备作为下一层设备的高速缓存。

数据流动

常用数据被向上复制到更快、更小的存储层；不常用的数据则被向下驱逐到更大、更慢的存储层。

具体缓存链：

（1）寄存器 → 是​ → L1高速缓存的缓存 （2）L1高速缓存 → 是​ → L2高速缓存的缓存 （3）L2高速缓存 → 是​ → L3高速缓存的缓存 （4）L3高速缓存 → 是​ → 主存的缓存 （5）主存 → 是​ → 本地磁盘的缓存 （6）（在网络系统中）本地磁盘 → 是​ → 远程存储的缓存

3）对程序员的意义

（1）性能优化的关键 正如了解高速缓存（L1-L3）能提升程序性能一样，理解整个存储器层次结构，能让程序员编写出能高效利用所有层级（特别是主存和磁盘）的程序。 （2）数据局部性 程序具有良好的时间局部性（重复访问相同数据）和空间局部性（访问邻近数据），就能让数据更多地停留在高层级的快速存储中，从而极大提升运行效率。 （3）后续深入 第6章将详细探讨如何基于此层次结构编写高性能代码。

总结栏