電腦硬體的讀寫速度差異
作者：小牛呼嚕嚕 | //xiaoniuhululu.com
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現代電腦系統
現代電腦系統與馮·諾依曼電腦差別不大，最大的區別馮·諾依曼電腦 是 以運算器為中心的，而現代電腦 以儲存器為中心：
我們主要來看一下其中與儲存相關的組件：
存儲器
存儲器是用來存放數據和程式。存儲器 包含主存和輔存
- 主存：直接與CPU交換資訊，就是我們熟悉的記憶體。斷電後記憶體的數據是會丟失的
- 輔存：輔存可作為主存的後備存儲器，不直接與CPU交換資訊，容量比主存大，但速度比主存慢。比如
機械硬碟、固態硬碟等。斷電後硬碟的數據是不會丟失，硬碟是持久化存儲設備。 輔存、輸入設備、輸出設備統稱為IO設備；主機一般包含：CPU、主存
我們先來看看存儲器的層次結構，來初步對各個儲存器部件有所認識
我們可以發現存儲器速度越快的話，相應的價格也會越發昂貴！
暫存器
CPU中 還有一個常見的組件: 暫存器，是CPU內部用來存放數據的一些小型的存儲區域，用來暫時存放參與運算的數據以及運算結果。暫存器由電子線路組成，存取速度非常快，暫存器的成本較高，因而數量較少。
CPU時鐘周期
CPU時鐘周期：通常為節拍脈衝或T周期，即主頻的倒數，它是CPU中基本時間單位。平時我們打遊戲常說的超頻，超的就是這個CPU主頻。
從硬體層次來說，CPU 的主頻是 其實由⼀個晶體振蕩器來實現的，這個晶體振蕩器⽣成的電路訊號，就是我們的時鐘訊號
舉個例子，主頻為3.0GHZ的CPU，一個時鐘周期大約是0.3納秒，記憶體訪問大約需要120納秒，固態硬碟訪問大約需要50-150微秒，機械硬碟訪問大約需要1-10毫秒，最後網路訪問最慢，得幾十毫秒左右。
這個大家可能對時間不怎麼敏感，那如果我們把**一個時鐘周期如果按1秒算的話，記憶體訪問大約就是6分鐘 ，固態硬碟大約是2-6天 ，傳統硬碟大約是1-12個月，網路訪問就得幾年了！ **
我們可以發現CPU的速度和記憶體等存儲器的速度，完全不是一個量級上的。
高速快取
為了彌補 CPU 與記憶體兩者之間的性能差異，就在 CPU 內部引入了 CPU Cache，也稱高速快取。
CPU Cache用的是 SRAM(Static Random-Access Memory)的晶片，也叫靜態隨機存儲器。其只要有電，數據就可以保持存在，而一旦斷電，數據就會丟失。
CPU Cache 通常分為大小不等的三級快取，分別是 L1 Cache、L2 Cache 和 L3 Cache
| 部件 | CPU訪問所需時間 | 備註 |
|---|---|---|
| L1 高速快取 | 2~4 個時鐘周期 | 每個 CPU 核心都有一塊屬於自己的 L1 高速快取，L1 高速快取通常分成指令快取和數據快取。 |
| L2 高速快取 | 10~20 個時鐘周期 | L2 高速快取同樣是每個 CPU 核心都有的 |
| L3 高速快取 | 20~60個時鐘周期 | L3 高速快取是多個 CPU 核心共用的 |
我們可以發現越靠近 CPU 核心的快取其訪問速度越快。
程式執行時，會先將記憶體中的數據載入到共享的 L3 Cache 中，再載入到每個核心獨有的 L2 Cache，最後 進入到最快的 L1 Cache，之後才會被 CPU 讀取。層級關係如下圖：
主存
主存，直接與CPU交換資訊，就是我們熟悉的記憶體。它使用的是一種叫作 DRAM(Dynamic Random Access Memory)的晶片，也叫動態隨機存取存儲器。斷電後記憶體的數據是會丟失。
DRAM 晶片的密度更高，功耗更低，有更大的容量，造價比 SRAM 晶片便宜很多，但速度比SRAM 晶片慢的多。
記憶體速度大概在 200~300 個 時鐘周期之間
固態硬碟
固體硬碟(Solid-state Disk, SSD)，數據直接存在快閃記憶體顆粒中，並且由主控單元記錄數據存儲位置和數據操作，每一個快閃記憶體顆粒的存儲容量是有限的;
但是它相比記憶體的優點是斷電後數據還是存在的，SSD固體硬碟的讀寫速度雖然比記憶體的大概慢10~1000 倍，但比機械硬碟快多了，當然價格也昂貴很多。不過隨著時代的發展，固態硬碟的價格慢慢趨向接近機械硬碟。
機械硬碟
機械硬碟（Hard Disk Drive, HDD），它是通過物理讀寫的方式來訪問數據的，機械硬碟在盤面上寫數據、磁碟轉動，機械臂移動，比較原始的數據讀寫方式，就像近現代的留聲機發聲原理一樣。
由於受限於轉盤轉速與指針定址的時間限制，因此它訪問速度是非常慢的，它的速度比記憶體慢 10W 倍左右。
當然機械硬碟也是有其優點的：容量大，價格便宜，恢複數據難度低，因此數據放在機械硬碟中比較保險。
壓榨CPU性能帶來的問題
由於CPU速度非常快，且價格非常昂貴，我們必須得充分壓榨CPU,得像生產隊的驢一樣，讓它不停地工作
為了合理利用 CPU 的高性能，同時儘可能地節約成本，現代電腦將這些儲存器充分的結合起來，由於這些硬體的數據存取速度差異導致了電腦系統編程中的各種問題：
有序性問題
為了充分壓榨CPU的性能，CPU 會對指令亂序執行或者語言的編譯器會指令重排，讓CPU一直工作不停歇，但同時會導致有序性問題。
在CPU中為了能夠讓指令的執行儘可能地同時運行起來，採用了指令流水線。一個 CPU 指令的執行過程可以分成 4 個階段：取指、解碼、執行、寫回。這 4 個階段分別由 4 個獨立物理執行單元來完成。
理想的情況是：指令之間無依賴，可以使流水線的並行度最大化。但是如果兩條指令的前後存在依賴關係，比如數據依賴，控制依賴等，此時後一條語句就必需等到前一條指令完成後，才能開始。所以CPU為了提高流水線的運行效率，對無依賴的前後指令做適當的亂序和調度。
還有一種情況編譯器會指令重排，比如java語言，JVM 的編譯器會對其指令進行重排序的優化（指令重排）。
所謂指令重排是指在不改變原語義的情況下，通過調整指令的執行順序讓程式運行的更快。JVM中並沒有規定編譯器優化相關的內容，也就是說JVM可以自由的進行指令重排序的優化。
無論是編譯期的指令重排還是CPU 的亂序執行，主要都是為了讓 CPU 內部的指令流水線可以「填滿」，提高指令執行的並行度，充分利用CPU的高性能。
可見性問題
為了平衡CPU的暫存器和記憶體的速度差異，電腦的CPU 增加了高速快取，但同時導致了 可見性問題。
我們知道當程式執行時，一般CPU會去從記憶體中讀取數據，來進行計算。CPU計算完之後，需要把數據重新放回到記憶體中。
當CPU的多個核心參與一個程式的運行，從記憶體中讀取一個共享變數的數據，當不同核心間進行了各自的計算，把計算後的值放入自己的快取中而不選擇立即寫入記憶體中（CPU寫入記憶體的時機是不確定的）。那麼在CPU的快取中，這個共享變數有可能存放著不同的數據，這就導致了快取的可見性問題。即一個執行緒對數據的修改無法對其他執行緒可見。
原子性問題
為了平衡CPU 與 I/O 設備的速度差異，作業系統增加了進程、執行緒概念，以分時復用 CPU，但同時導致了原子性問題。
原子操作就是不可分割的操作，在電腦中，就是指不會因為執行緒調度被打斷的操作。
當一個程式去I/O 設備讀取數據， 由於I/O 設備數據存入讀取速度，相比於CPU的執行速度來說度日如年，CPU這麼牛逼這麼昂貴的寶貝，怎麼能讓它歇著，得讓它一直幹活，去切換執行其他程式。也就是將CPU的時間進行分片，讓各個程式在CPU上輪轉執行。但被剝奪執行權的程式，等它從IO讀取完數據後，還是得讓CPU繼續執行的，這時需要一個數據結構來保存，以便之後恢復繼續執行，這個就是進程.
一開始進程中 只有一個”執行流”，幹活的人就一個。隨著任務越來越多，發現進程不夠用了，經常導致整個程式被阻塞，這時電腦讓進程有多個執行流，幹活的人變多了，那程式就不會再被阻塞了，”執行流” 就是執行緒.
如何解決這3個問題，就是並發、多執行緒需要處理的事，當然這是後話。
參考資料：
《深入理解電腦系統》
《電腦組成原理》
《電腦組成原理》–唐朔飛
//zhuanlan.zhihu.com/p/379947484
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