为什么需要CPU缓存
随着工艺的提升，最近几十年 CPU 的频率不断提升，而受制于制造工艺和成本限制，目前计算机的内存在访问速度上没有质的突破。因此，CPU 的处理速度和内存的访问速度差距越来越大，甚至可以达到上万倍。这种情况下传统的 CPU 直连内存的方式显然就会因为内存访问的等待，导致计算资源大量闲置，降低 CPU 整体吞吐量。同时又由于内存数据访问的热点集中性，在 CPU 和内存之间用较为快速而成本较高(相对于内存)的介质做一层缓存，就显得性价比极高了。
为什么需要有CPU多级缓存
- 各种寄存器，用来存储本地变量和函数参数，访问一次需要1cycle，耗时小于1ns;
- L1 Cache，一级缓存，本地 core 的缓存，分成 32K 的数据缓存 L1d 和 32k 指令缓存 L1i，访问 L1 需要3cycles，耗时大约 1ns;
- L2 Cache，二级缓存，本地 core 的缓存，被设计为 L1 缓存与共享的 L3 缓存之间的缓冲，大小为 256K，访问 L2 需要 12cycles，耗时大约 3ns;
- L3 Cache，三级缓存，在同插槽的所有 core 共享 L3 缓存，分为多个 2M 的段，访问 L3 需要 38cycles，耗时大约 12ns;
大致可以得出结论，缓存层级越接近于 CPU core，容量越小，速度越快，当 CPU 执行运算的时候，它先去 L1 查找所需的数据，再去 L2，然后是 L3，最后如果这些缓存中都没有，所需的数据就要去主内存拿。走得越远，运算耗费的时间就越长。
什么是缓存行
缓存行 (Cache Line) 便是 CPU Cache 中的最小单位，CPU Cache 由若干缓存行组成，一个缓存行的大小通常是 64 字节(这取决于 CPU)，并且它有效地引用主内存中的一块地址。一个 Java 的 long 类型是 8 字节，因此在一个缓存行中可以存 8 个 long 类型的变量。
猜一下下面代码的执行时间：
- public class ArrayLoop {
- public static void main(String[] args) {
- long[][] arr = new long[1024 * 1024][8];
- long sum = 0;
- //横向遍历
- long start = System.currentTimeMillis();
- for (int i = 0; i < 1024 *1024; i++) {
- for (int j = 0; j < 8; j++) {
- sum += arr[i][j];
- }
- }
- System.out.println("横向遍历耗时：" + (System.currentTimeMillis() – start) + "ms");
- //纵向遍历
- start = System.currentTimeMillis();
- for (int i = 0; i < 8; i++) {
- for (int j = 0; j < 1024 * 1024; j++) {
- sum += arr[j][i];
- }
- }
- System.out.println("纵向遍历耗时：" + (System.currentTimeMillis() – start) + "ms");
- }
- }
在我电脑上的执行时间为：
横向遍历耗时：32ms
纵向遍历耗时：88ms
在程序运行的过程中，缓存每次更新都从主内存中加载连续的 64 个字节。因此，如果访问一个 long 类型的数组时，当数组中的一个值被加载到缓存中时，另外 7 个元素也会被加载到缓存中。
