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# 37 | 高速缓存(上):“4毫秒”究竟值多少钱?
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在这一节内容开始之前,我们先来看一个3行的小程序。你可以猜一猜,这个程序里的循环1和循环2,运行所花费的时间会差多少?你可以先思考几分钟,然后再看我下面的解释。
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int[] arr = new int[64 * 1024 * 1024];
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// 循环1
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for (int i = 0; i < arr.length; i++) arr[i] *= 3;
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// 循环2
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for (int i = 0; i < arr.length; i += 16) arr[i] *= 3
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在这段Java程序中,我们首先构造了一个64×1024×1024大小的整型数组。在循环1里,我们遍历整个数组,将数组中每一项的值变成了原来的3倍;在循环2里,我们每隔16个索引访问一个数组元素,将这一项的值变成了原来的3倍。
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按道理来说,循环2只访问循环1中1/16的数组元素,只进行了循环1中1/16的乘法计算,那循环2花费的时间应该是循环1的1/16左右。但是实际上,循环1在我的电脑上运行需要50毫秒,循环2只需要46毫秒。这两个循环花费时间之差在15%之内。
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为什么会有这15%的差异呢?这和我们今天要讲的CPU Cache有关。之前我们看到了内存和硬盘之间存在的巨大性能差异。在CPU眼里,内存也慢得不行。于是,聪明的工程师们就在CPU里面嵌入了CPU Cache(高速缓存),来解决这一问题。
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## 我们为什么需要高速缓存?
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按照[摩尔定律](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B),CPU的访问速度每18个月便会翻一番,相当于每年增长60%。内存的访问速度虽然也在不断增长,却远没有这么快,每年只增长7%左右。而这两个增长速度的差异,使得CPU性能和内存访问性能的差距不断拉大。到今天来看,一次内存的访问,大约需要120个CPU Cycle,这也意味着,在今天,CPU和内存的访问速度已经有了120倍的差距。
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如果拿我们现实生活来打个比方的话,CPU的速度好比风驰电掣的高铁,每小时350公里,然而,它却只能等着旁边腿脚不太灵便的老太太,也就是内存,以每小时3公里的速度缓慢步行。因为CPU需要执行的指令、需要访问的数据,都在这个速度不到自己1%的内存里。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/4f/4b/4fc459f42a67d3949402865a998bf34b.png)
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随着时间变迁,CPU和内存之间的性能差距越来越大
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为了弥补两者之间的性能差异,我们能真实地把CPU的性能提升用起来,而不是让它在那儿空转,我们在现代CPU中引入了高速缓存。
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从CPU Cache被加入到现有的CPU里开始,内存中的指令、数据,会被加载到L1-L3 Cache中,而不是直接由CPU访问内存去拿。在95%的情况下,CPU都只需要访问L1-L3 Cache,从里面读取指令和数据,而无需访问内存。要注意的是,这里我们说的CPU Cache或者L1/L3 Cache,不是一个单纯的、概念上的缓存(比如之前我们说的拿内存作为硬盘的缓存),而是指特定的由SRAM组成的物理芯片。
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这里是一张Intel CPU的放大照片。这里面大片的长方形芯片,就是这个CPU使用的20MB的L3 Cache。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/c1/15/c1dc0e3453f469fc4607557dab9d5215.jpg)
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现代CPU中大量的空间已经被SRAM占据,图中用红色框出的部分就是CPU的L3 Cache芯片
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在这一讲一开始的程序里,运行程序的时间主要花在了将对应的数据从内存中读取出来,加载到CPU Cache里。CPU从内存中读取数据到CPU Cache的过程中,是一小块一小块来读取数据的,而不是按照单个数组元素来读取数据的。这样一小块一小块的数据,在CPU Cache里面,我们把它叫作Cache Line(缓存块)。
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在我们日常使用的Intel服务器或者PC里,Cache Line的大小通常是64字节。而在上面的循环2里面,我们每隔16个整型数计算一次,16个整型数正好是64个字节。于是,循环1和循环2,需要把同样数量的Cache Line数据从内存中读取到CPU Cache中,最终两个程序花费的时间就差别不大了。
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知道了为什么需要CPU Cache,接下来,我们就来看一看,CPU究竟是如何访问CPU Cache的,以及CPU Cache是如何组织数据,使得CPU可以找到自己想要访问的数据的。因为Cache作为“缓存”的意思,在很多别的存储设备里面都会用到。为了避免你混淆,在表示抽象的“缓存“概念时,用中文的“缓存”;如果是CPU Cache,我会用“高速缓存“或者英文的“Cache”,来表示。
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## Cache的数据结构和读取过程是什么样的?
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现代CPU进行数据读取的时候,无论数据是否已经存储在Cache中,CPU始终会首先访问Cache。只有当CPU在Cache中找不到数据的时候,才会去访问内存,并将读取到的数据写入Cache之中。当时间局部性原理起作用后,这个最近刚刚被访问的数据,会很快再次被访问。而Cache的访问速度远远快于内存,这样,CPU花在等待内存访问上的时间就大大变短了。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/3a/cc/3a6fcfd1155e03f4f2781dbb6ddaf6cc.png)
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这样的访问机制,和我们自己在开发应用系统的时候,“使用内存作为硬盘的缓存”的逻辑是一样的。在各类基准测试(Benchmark)和实际应用场景中,CPU Cache的命中率通常能达到95%以上。
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问题来了,CPU如何知道要访问的内存数据,存储在Cache的哪个位置呢?接下来,我就从最基本的**直接映射Cache**(Direct Mapped Cache)说起,带你来看整个Cache的数据结构和访问逻辑。
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在开头的3行小程序里我说过,CPU访问内存数据,是一小块一小块数据来读取的。对于读取内存中的数据,我们首先拿到的是数据所在的**内存块**(Block)的地址。而直接映射Cache采用的策略,就是确保任何一个内存块的地址,始终映射到一个固定的CPU Cache地址(Cache Line)。而这个映射关系,通常用mod运算(求余运算)来实现。下面我举个例子帮你理解一下。
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比如说,我们的主内存被分成0~31号这样32个块。我们一共有8个缓存块。用户想要访问第21号内存块。如果21号内存块内容在缓存块中的话,它一定在5号缓存块(21 mod 8 = 5)中。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/52/22/522eade51bbfad19fd25eb4f3ce80f22.png)
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Cache采用mod的方式,把内存块映射到对应的CPU Cache中
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实际计算中,有一个小小的技巧,通常我们会把缓存块的数量设置成2的N次方。这样在计算取模的时候,可以直接取地址的低N位,也就是二进制里面的后几位。比如这里的8个缓存块,就是2的3次方。那么,在对21取模的时候,可以对21的2进制表示10101取地址的低三位,也就是101,对应的5,就是对应的缓存块地址。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ca/80/caadd2728b5cfcd2bd704103570f3a80.png)
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取Block地址的低位,就能得到对应的Cache Line地址,除了21号内存块外,13号、5号等很多内存块的数据,都对应着5号缓存块中。既然如此,假如现在CPU想要读取21号内存块,在读取到5号缓存块的时候,我们怎么知道里面的数据,究竟是不是21号对应的数据呢?同样,建议你借助现有知识,先自己思考一下,然后再看我下面的分析,这样会印象比较深刻。
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这个时候,在对应的缓存块中,我们会存储一个**组标记**(Tag)。这个组标记会记录,当前缓存块内存储的数据对应的内存块,而缓存块本身的地址表示访问地址的低N位。就像上面的例子,21的低3位101,缓存块本身的地址已经涵盖了对应的信息、对应的组标记,我们只需要记录21剩余的高2位的信息,也就是10就可以了。
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除了组标记信息之外,缓存块中还有两个数据。一个自然是从主内存中加载来的实际存放的数据,另一个是**有效位**(valid bit)。啥是有效位呢?它其实就是用来标记,对应的缓存块中的数据是否是有效的,确保不是机器刚刚启动时候的空数据。如果有效位是0,无论其中的组标记和Cache Line里的数据内容是什么,CPU都不会管这些数据,而要直接访问内存,重新加载数据。
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CPU在读取数据的时候,并不是要读取一整个Block,而是读取一个他需要的数据片段。这样的数据,我们叫作CPU里的一个字(Word)。具体是哪个字,就用这个字在整个Block里面的位置来决定。这个位置,我们叫作偏移量(Offset)。
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总结一下,**一个内存的访问地址,最终包括高位代表的组标记、低位代表的索引,以及在对应的Data Block中定位对应字的位置偏移量。**
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/13/d4/1313fe1e4eb3b5c949284c8b215af8d4.png)
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内存地址到Cache Line的关系
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而内存地址对应到Cache里的数据结构,则多了一个有效位和对应的数据,由“**索引 + 有效位** **\+ 组标记 + 数据**”组成。如果内存中的数据已经在CPU Cache里了,那一个内存地址的访问,就会经历这样4个步骤:
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1. 根据内存地址的低位,计算在Cache中的索引;
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2. 判断有效位,确认Cache中的数据是有效的;
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3. 对比内存访问地址的高位,和Cache中的组标记,确认Cache中的数据就是我们要访问的内存数据,从Cache Line中读取到对应的数据块(Data Block);
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4. 根据内存地址的Offset位,从Data Block中,读取希望读取到的字。
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如果在2、3这两个步骤中,CPU发现,Cache中的数据并不是要访问的内存地址的数据,那CPU就会访问内存,并把对应的Block Data更新到Cache Line中,同时更新对应的有效位和组标记的数据。
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好了,讲到这里,相信你明白现代CPU,是如何通过直接映射Cache,来定位一个内存访问地址在Cache中的位置了。其实,除了直接映射Cache之外,我们常见的缓存放置策略还有全相连Cache(Fully Associative Cache)、组相连Cache(Set Associative Cache)。这几种策略的数据结构都是相似的,理解了最简单的直接映射Cache,其他的策略你很容易就能理解了。
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## 减少4毫秒,公司挣了多少钱?
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刚才我花了很多篇幅,讲了CPU和内存之间的性能差异,以及我们如何通过CPU Cache来尽可能解决这两者之间的性能鸿沟。你可能要问了,这样做的意义和价值究竟是什么?毕竟,一次内存的访问,只不过需要100纳秒而已。1秒钟时间内,足有1000万个100纳秒。别着急,我们先来看一个故事。
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2008年,一家叫作Spread Networks的通信公司花费3亿美元,做了一个光缆建设项目。目标是建设一条从芝加哥到新泽西,总长1331公里的光缆线路。建设这条线路的目的,其实是为了将两地之间原有的网络访问延时,从17毫秒降低到13毫秒。
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你可能会说,仅仅缩短了4毫秒时间啊,却花费3个亿,真的值吗?为这4毫秒时间买单的,其实是一批高频交易公司。它们以5年1400万美元的价格,使用这条线路。利用这短短的4毫秒的时间优势,这些公司通过高性能的计算机程序,在芝加哥和新泽西两地的交易所进行高频套利,以获得每年以10亿美元计的利润。现在你还觉得这个不值得吗?
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其实,只要350微秒的差异,就足够高频交易公司用来进行无风险套利了。而350微秒,如果用来进行100纳秒一次的内存访问,大约只够进行3500次。而引入CPU Cache之后,我们可以进行的数据访问次数,提升了数十倍,使得各种交易策略成为可能。
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## 总结延伸
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很多时候,程序的性能瓶颈,来自使用DRAM芯片的内存访问速度。
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根据摩尔定律,自上世纪80年代以来,CPU和内存的性能鸿沟越拉越大。于是,现代CPU的设计者们,直接在CPU中嵌入了使用更高性能的SRAM芯片的Cache,来弥补这一性能差异。通过巧妙地将内存地址,拆分成“索引+组标记+偏移量”的方式,使得我们可以将很大的内存地址,映射到很小的CPU Cache地址里。而CPU Cache带来的毫秒乃至微秒级别的性能差异,又能带来巨大的商业利益,十多年前的高频交易行业就是最好的例子。
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在搞清楚从内存加载数据到Cache,以及从Cache里读取到想要的数据之后,我们又要面临一个新的挑战了。CPU不仅要读数据,还需要写数据,我们不能只把数据写入到Cache里面就结束了。下一讲,我们就来仔细讲讲,CPU要写入数据的时候,怎么既不牺牲性能,又能保证数据的一致性。
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## 推荐阅读
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如果你学有余力,这里有两篇文章推荐给你阅读。
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如果想深入了解CPU和内存之间的访问性能,你可以阅读[What Every Programmer Should Know About Memory](https://people.freebsd.org/~lstewart/articles/cpumemory.pdf)。
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现代CPU已经很少使用直接映射Cache了,通常用的是组相连Cache(set associative cache),想要了解组相连Cache,你可以阅读《计算机组成与设计:硬件/软件接口》的5.4.1小节。
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## 课后思考
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对于二维数组的访问,按行迭代和按列迭代的访问性能是一样的吗?你可以写一个程序测试一下,并思考一下原因。
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欢迎把你思考的结果写在留言区。如果觉得有收获,你也可以把这篇文章分享给你的朋友,和他一起讨论和学习。
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