高速缓冲存储器(cache) 简称 缓存 ,位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。

        cpu的速度是内存速度的100倍  (100:1)

        这里的速度是什么意思呢？

        这里指的是，ALU读取寄存器数据和读取内存数据 之间速度的比率。也就是说：ALU访问寄存器的速度比访问内存的速度快100倍。

        那么为什么ALU访问寄存器的速度比访问内存的速度快100倍呢？

                这里说的是访问速度，不考虑存储器;其实很简单，就是因为：ALU距离内存近.

寄存器与内存的区别:

1. 寄存器是CPU内部的一种高速存储器，它的容量比内存小，但是速度比内存快得多；

2. 内存是外部存储器，它的容量比寄存器大，但是速度比寄存器慢；

3. 寄存器只能存储少量的数据，而内存可以存储大量的数据；

4. 寄存器的数据只能在CPU内部使用，而内存的数据可以在CPU外部使用；

5. 寄存器的数据只能在一次程序执行中使用，而内存的数据可以在多次程序执行中使用。

这里想必都很好理解.

         这里说到的就是，处理数据的速度：

                1.距离不同

                2.硬件设计不同

                3.工作方式不同

为什么寄存器处理数据的速度比内存快？_Wu Junwu的博客-CSDN博客

        当然是可以的。但是前提就是寄存器存储能力得足够，这显然很难实现，因为需要考虑性价比，寄存器比内存贵很多！8g内存400块，而8g寄存器却要40w。主要还是因为硬件设计不同，因为：内存每个位就是一个电容和一个晶体管，而寄存器的设计则完全不同，多出好几个电子元件。每个位多出好几个电子元件，寄存器有6000多位，可想而知这价格得放大多少？6000多位1024bit=1kb，这才多少？更何况想跑一个程序，

在程序执行时，需要从内存中拿数据，拿到寄存器上，再进入ALU，会发现：从寄存器上拿数据确实很快，但是每次CPU都需要从内存拿数据这却很慢，所以为了提高效率就出现了缓存的概念。

缓存立于CPU和内存之间，包含在CPU内部。

        原理其实很简单，就像你在北京，你需要买个东西，如果你之间从海南买东西是不是要很久，但是从上海买东西是不是就比从海南买来得快。

        从内存离得远拿数据慢，但是可以距离缓存进，拿数据就快了一些。

        显然不是，如果一个一个进入到缓存，那和到内存里一个一个拿，有什么区别？还不如直接从内存拿，还要什么缓存。所以肯定是没区别的。其实拿数据时，是拿一整块数据，比如由一个数组，我不是拿数组里的一个元素，而是把一整个数组拿到缓存里。

一个缓存实现了让访问速度提高，拿能不能有多个缓存，让速度再提高呢？

就像：从北京—海南的距离变成了从北京—上海的距离，拿还能不能变成从北京—河南？北京—山东，甚至就在北京本地？

答案是可以的。

现在一般CPU都有多层缓存，以达到提升访问速度的作业，那么有几层呢？

现在工业实践中，多采用三层缓存，也就是说寄存器到内存之间有三个缓存

但如果有一天CPU访问内存的速度变快了，也许中间的缓存也会随之减少。

①ALU想拿数据进来，会去寄存器拿。

②寄存器发现没有ALU想要的数据，找一级缓存。

③一级缓存发现没有寄存器想要的数据，找二级缓存。

④二级缓存发现没有一级缓存想要的数据，找三级缓存。

⑤三级缓存发现没有二级缓存想要的数据，找内存。

⑥内存发现有三级缓存想要的数据，把数据给三级缓存。

⑦三级缓存把数据给二级缓存。

⑧二级缓存把数据给一级缓存。

⑨一级缓存把数据给寄存器。

⑩寄存器把数据给ALU。

        缓存行就是一次性读取的数据块。什么意思呢？

       上面也说了，CPU不会从内存一个数据一个数据地拿。当你要从内存拿一个数据时，为了下次不用再次访问内存，缓存就会从内存拿到这个数据附近所合起来的一块数据，这就叫缓存行。

        为什么是拿数据附近所合起来的数据呢？

        这是存在一个理论的，即:

   程序的局部性原理：①空间局部性、②时间局部性。

        这是在工业事件中得到的。

空间局部性：如果一个内存位置（数据/指令）被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用其附近的一个内存位置（数据/指令）。

时间局部性:被引用过一次的内存位置（数据/指令）很可能在不远的将来再被多次引用。

既然一个，数据会被多次引用 并且也会很可能也会马上访问到临边的数据，因此缓存就会从内存拿到这个数据附近所合起来的一块数据。

        其实都不好，一个缓存行太大，cpu拿一次数据就需要很久；一个缓存行太小，cpu就要多次地从内存拿数据。所以应该适中。

        其实规定了工业上规定了缓存行的大小，这也是在工业实践中得到的：64字节到256字节不等.

【计算机组成】8.如何保持缓存一致性_哔哩哔哩_bilibili

        当你用多线程写程序时，比如创建了两个数组，你要用两个线程去分别去修改两个数组的内容。

        如果你在两个数组前后加上64-256个字节的变量，你会发现程序的速度跑得更快。

        这是因为缓存一致性协议的存在。

        首先，就需要知道一点，由于空间局部性，这两个数组很可能创建在同一行(距离很近)

        内存到多个CPU（内核）的缓存中会发生拷贝，就是每个CPU内部缓存中，都会有一份其中一个CPU会用到的数据，这是为了提高访问速度，也就是说所有cpu内部缓存都会有同样的一份数据块。

        并且，当这个数据块被修改时，其他CPU如果有用到这块数据块，为了数据的一致性，就会同步修改过这块数据的CPU，更新上传到内存，要用这块的CPU再从CPU拿下来.

        当多个处理器的运算任务都涉及同一 块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致的情况，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（IllinoisProtocol）、MOSI、Synapse、Firefly及DragonProtocol，等等。不同厂家都有不同的协议MESI就是因特尔的,这些就叫做 缓存一致性协议       

缓存一致性原则的概念以及流程:缓存一致性协议：MESI_bingaPang的博客-CSDN博客 

        因此，当两个数组距离很近时，左边的cpu需要和右边的cpu同步(使用缓存一致性协议)，同步的前提是两边会用到同一份（不需要是一块）数据。所以，如果再两个数组前后都加上64-256个字节的数据，那么两个数组还会在同一行吗？显然不会，它们完全被隔开了，不会因为空间局部性而在同一行，那么如果不在同一行，那么缓存拿一块数据时，最多拿64-256个字节，缓存行怎么也不可能拿到两个数组的数据，因此只能分成两块缓存行拿,那么两块缓存行就互不影响，从而不需要同步。

        总结：由于缓存行和程序的局部性原理的存在，我们需要一种机制，来保证数据的一致性， 这种机制叫做：缓存一致性协议。