緩存這個詞想必大家都聽過，其實緩存的意義很廣泛：電腦整機最大的緩存可以體現為内存條、顯卡上的顯存就是顯卡芯片所需要用到的緩存、硬盤上也有相對應的緩存、CPU有着最快的緩存（L1、L2、L3緩存等），緩存就是數據交換的緩沖區（稱作Cache）。緩存往往都是RAM（斷電即掉的非永久儲存），它們的作用就是幫助硬件更快地響應。我們今天就來講一下，關于最快的緩存——CPU緩存的那些事。

CPU緩存是什麼？

CPU緩存的定義為CPU與内存之間的臨時數據交換器，它的出現是為了解決CPU運行處理速度與内存讀寫速度不匹配的矛盾——緩存的速度比内存的速度快多了。CPU緩存一般直接跟CPU芯片集成或位于主闆總線互連的獨立芯片上。（現階段的CPU緩存一般直接集成在CPU上）CPU往往需要重複處理相同的數據、重複執行相同的指令，如果這部分數據、指令CPU能在CPU緩存中找到，CPU就不需要從内存或硬盤中再讀取數據、指令，從而減少了整機的響應時間。

CPU-緩存-主内存圖示，圖片來自：CPU Caches

CPU緩存速度和内存速度差多少？

我們來簡單地打個比方：如果CPU在L1一級緩存中找到所需要的資料要用的時間為3個周期左右，那麼在L2二級緩存找到資料的時間就要10個周期左右，L3三級緩存所需時間為50個周期左右；如果要到内存上去找呢，那就慢多了，可能需要幾百個周期的時間。

I3-8300處理器技術規格

對CPU緩存有一定了解了嗎，讓我們再深入一點。以Intel為例，Intel官網上産品-處理器界面内對緩存的定義為：“CPU高速緩存是處理器上的一個快速記憶區域。英特爾智能高速緩存（SmartCache）是指可讓所有内核動态共享最後一級高速緩存的架構。”這裡就提及到了最後一級高速緩存的概念，即為CPU緩存中的L3(三級緩存)，那麼我們繼續來解釋一下什麼叫三級緩存，分别又是指哪三級緩存。

CPU-緩存-主内存圖示，圖片來自：CPU Caches

三級緩存（L1、L2、L3）是什麼？

以近代CPU的視角來說，三級緩存（包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存）都是集成在CPU内的緩存，它們的作用都是作為CPU與主内存之間的高速數據緩沖區，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。運行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2較大、L3最大。CPU會先在最快的L1中尋找需要的數據，找不到再去找次快的L2，還找不到再去找L3，L3都沒有那就隻能去内存找了。L1、L2、L3可以說是各有特點，下面我們就分開來講一下。

一級緩存（L1 Cache）

一級緩存這個名詞出現應該是在Intel公司Pentium處理器時代把緩存開始分類的時候，當時在CPU内部集成的CPU緩存已經不能滿足整機的性能需求，而制造工藝上的限制不能在CPU内部大幅提高緩存的數量，所以出現了集成在主闆上的緩存，當時人們把CPU内部集成的CPU緩存成為一級緩存，在CPU外部主闆上的緩存稱為二級緩存。

Intel Pentium 4

而一級緩存其實還分為一級數據緩存（Data Cache，D-Cache，L1d）和一級指令緩存(Instruction Cache，I-Cache，L1i)，分别用于存放數據及執行數據的指令解碼，兩者可同時被CPU訪問，減少了CPU多核心、多線程争用緩存造成的沖突，提高了處理器的效能。一般CPU的L1i和L1d具備相同的容量，例如I7-8700K的L1即為32KB 32KB。

二級緩存（L2 Cache）

随着CPU制造工藝的發展，本來處于CPU外部的二級緩存也可以輕易地集成進CPU内部，這種時候再用緩存是否處于CPU内部來判斷一二級緩存已經不再确切。集成進CPU的L2二級緩存運行速率漸漸可以跟上CPU的運行速度了，，其主要作用為當CPU在L1中沒讀取到所需要的數據時再把數據展示給CPU篩選（CPU未命中L1的情況下繼續在L2尋求命中，緩存命中的工作原理我們稍後再講）。

L2二級緩存比L1一級緩存的容量要更大，但是L2的速率要更慢，為什麼呢？首先L2比L1要更遠離CPU核心，L1是最靠近CPU核心的緩存，CPU需要讀取L2的數據從物理距離上比L1要更遠；L2的容量比L1更大，打個簡單的比喻，在小盒子裡面找東西要比在大房間裡面找要方便快捷。這裡也可以看出，緩存并非越大越好，越靠近CPU核心的緩存運行速率越快越好，非最後一級緩存的緩存容量自然是夠用即可。

Core Duo酷睿雙核處理器

L2二級緩存實際上就是L1一級緩存跟主内存之間的緩沖器，在2006年的時間點上，Intel和AMD當家在售的幾款處理器可以看出他們對最後一級緩存不同的見解：Intel Core Duo不同于它的前輩Pentium D、EE，采用了雙核心共享的2M L2二級緩存，是屬于當時最先二級緩存架構，即“Smart Cache”共享緩存技術，這種技術沿用到以後的Intel推出的所有多核心處理器上；而AMD Athlon 64 X2處理器則是每個CPU核心都具備獨立的二級緩存，Manchester核心的處理器為每核心512KB、Toledo核心為每核心1MB，兩個核心之間的緩存的數據同步是通過CPU内置的SRI（系統請求接口）控制，這樣的數據延遲及占用資源情況都要比Intel的Pentium D、EE核心要好，但還是比不上Core為代表的Smart Cache緩存共享。

三級緩存（L3 Cache）

最初出現L3三級緩存的應該是AMD的K6-III處理器，當時受限于制造工藝，L3隻能集成在主闆上。然後Intel首次出現L3三級緩存的是Itanium安騰服務器處理器，接着就是P4EE和至強MP。L3三級緩存的出現其實對CPU性能提升呈一個爬坡曲線——L3從0到2M的情況CPU性能提升非常明顯，L3從2M到6M提升可能就隻有10%不到了，這是在近代CPU多核共享L3的情況下；當L3集成進CPU正式成為CPU内部緩存後，CPU處理數據時隻有5%需要在内存中調用數據，進一步地減少了内存延遲，使系統的響應更為快速。

Intel Nehalem L3 SmartCache示意圖

同理，L3即為L2與主内存之間的緩沖器，主要體現在提升處理器大數據處理方面的性能，對遊戲表現方面有較大的幫助。那麼也許有人就會問了，是不是選擇CPU的時候看準L3買，哪個CPU的L3大就買哪個？非也，隻有同架構的情況下這種比較才具有意義，先舉個比較久遠的例子：Intel具備1MB L3的Xeon MP處理器仍然不是AMD沒有L3的皓龍處理器對手，再來個現有的：Intel I7-8700K 12MB L3和AMD Threadripper 1950X 32MB L3相比，自然是32MB比12MB大，但是平均下來也是一個核心2MB L3，性能就見仁見智了。

CPU緩存是怎樣幫助CPU工作的呢

知道了L1、L2、L3的由來，我們再深入地了解一下CPU緩存是怎麼幫助CPU提高工作效率的。

局限性原理，圖片來自：CMU

由于數據的局限性，CPU往往需要在短時間内重複多次讀取數據，内存的運行頻率自然是遠遠跟不上CPU的處理速度的，怎麼辦呢？緩存的重要性就凸顯出來了，CPU可以避開内存在緩存裡讀取到想要的數據，稱之為命中（hit）。L1的運行速度很快，但是它的數據容量很小，CPU能在L1裡命中的概率大概在80%左右——日常使用的情況下；L2、L3的機制也類似如此，這樣一來，CPU需要在内存中讀取的數據大概為5%-10%，其餘數據命中全部可以在L1、L2、L3中做到，大大減少了系統的響應時間，總的來說，所有CPU讀取數據的順序都是先緩存再内存。

L1、L2、L3緩存跟内存速度相差很大，它們構成上的不同導緻了其速度的差距，那麼CPU緩存和内存分别是怎樣構成的呢？

緩存SRAM與内存DRAM的區别

CPU緩存基本由SRAM（Static RAM，靜态RAM）構成，内存的DRAM其實是SDRAM（同步動态随機儲存器），是DRAM（Dynamic RAM，動态）的一種。

DRAM

DRAM隻含一個晶體管和一個電容器，集成度非常高，可以輕松做出大容量（内存），但是因為靠電容器來儲存信息，所以需要不斷刷新補充電容器的電荷，充電放電之間的時間差導緻了DRAM比SRAM的反應要緩慢得多。

SRAM

SRAM相比DRAM的複雜度就高了不止一籌，所以導緻SRAM的集成度很低——前期CPU緩存不能集成進CPU内部也有這個原因。SRAM的特點就是快，有電就有數據，不需要刷新時間所以凸顯其數據傳輸速度很快，缺點就是占據面積大、成本低。假如一個DRAM占據一個單位的地方，一個SRAM就要占據六個單位的地方，差别還是挺大的。

番外：L4四級緩存和eDRAM

I7-4750H

并不是每個CPU都會使用SRAM作為CPU緩存，IBM的Power系列處理器就使用了eDRAM作為CPU緩存；我們再看看Intel Haswell I7-4750H這個CPU，其主要受關注的地方在于CPU内嵌入了128MB的eDRAM作為顯存讓核心顯卡Iris Pro 5200使用，在不使用核心顯卡的時候，128MB eDRAM将會成為處理器的L4四級緩存。當然了，I7-4750H多了L4之後在處理器性能上也沒提高多少，eDram緩存的主要作用還是在于給核心顯卡當顯存上。

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