|
高速缓冲存储器，简称高速缓存或者 Cache，是一种尺寸较小、读写效率介于寄存器和 RAM 型主存储器之间的易失性存储器（即无法永久性存储数据）。目前，计算机中的高速缓存通常集成在 CPU 内部，但也有将高速缓存置于 CPU 外部的情况。
《计算机的存储器》一节中提到，CPU 可直接访问的计算机存储部件主要有 3 种，分别为寄存器、高速缓存和主存储器，高速缓存的读写效率不如寄存器，但比主存储器高。
高速缓存常用于临时保存 CPU 经常使用的数据和指令，每当 CPU 需要使用这部分数据时，它可以直接从高速存储中获取，而无需访问读取效率更低的主存储器。并且，存储于高速缓存中的数据只能由 CPU 访问。因此，高速缓存扮演着 CPU 和 主存储器之间的缓冲区的角色，从而提高 CPU 处理数据的效率，进而提高计算机的整体性能。
高速缓存的类别
根据 CPU 的访问顺序，计算机中的高速缓存又可细分为一级高速缓存、二级高速缓存和三级高速缓存。
也就是说，当 CPU 要读取数据时，首先会去一级缓存中查找，没有找到的话会再去二级缓存中查找，如果还没有找到，则去三级缓存或者主存储器中查找。通常，每级缓存的命中率大概都在 80% 左右。
所谓缓存命中率，是指 CPU 要查找的数据或指令恰好位于高速缓存中的概率。
1) 一级高速缓存
又称为 L1 高速缓存，位于 CPU 内核附近，并且如果 CPU 有 4 个内核，则每个内核都配有自己的一级高速缓存。
相比其他类型的高速缓存，一级高速缓存最贴近 CPU，实现它的技术难度和制造成本是最高的，它的读取效率最高，但存储容器最小（通常在 2KB~64KB 之间）。
一级高速缓存还可分为 2 种类型，分别为指令高速缓存和数据高速缓存。显然，指令高速缓存主要用来存储 CPU 经常使用的指令，而数据高速缓主要用来存储 CPU 经常使用的数据。
2) 二级高速缓存
又称为 L2 高速缓存，最初和 CPU 一块集成在电路板或主板上，如今通常集成在 CPU 内部。
和 L1 高速缓存一样，CPU 所有的内核都可以单独拥有自己的 L2 高速缓存，当然也可以共享一个 L2 高速缓存。但和前者相比，L2 高速缓存的读取效率较低，但存储容量更大，通常在 256KB ~ 512 KB 之间。
3) 三级高速存储
又称为 L3 高速缓存，通常集成在 CPU 内部，但也有一些老旧计算机将其放置在 CPU 外部。
L3 高速缓存的读取效率虽然不及 L1、L2 高速缓存，但比 RAM 主存储器的效率高。此外，L3 的存储容量比 L1、L2 高速缓存都大，通常在 1MB ~ 8MB 之间。
对于拥有 L3 高速缓存的计算机，当 CPU 在 L2 高速缓存中找不到需要的数据或指令时，它会前往 L3 高速缓存中查找。因此，L3 高速缓存的存在可以提高高速缓存的命中率，进一步提高 CPU 的工作效率。
高速缓存的工作流程
当 CPU 需要某些数据时，它首先会去 L1 高速缓存中查找；如果未命中，则再去 L2 高速缓存中查找；如果还未命中，再去 L3 高速缓存中查找。
如果所有级别的高速缓存都未命中，CPU 会到 RAM 主存储器（也就是内存）中查找。如果 RAM 主存储器也没有，则尝试从外部存储器中获取这部分数据（注意，CPU 无法直接访问外部存储器）。
显然，当计算机第一次启动，或者某应用程序被第一次打开时，相关数据是不可能位于高速缓存或者 RAM 主存储器中的。但是，当我们后续再打开此应用程序时，所需数据就可能存在高速缓存或者 RAM 主存储器中。
|