我猜應(yīng)該很多人都有這樣的困惑，就是覺得學(xué)計(jì)組有什么用？感覺實(shí)際工作過程中用不到，感覺理論學(xué)了個(gè)寂寞。這個(gè)困惑很正常，因?yàn)閷W(xué)計(jì)組這東西主要是為了搞懂計(jì)算機(jī)是如何工作的，計(jì)算機(jī)怎么工作的都是被前輩們實(shí)現(xiàn)好的，我們一般也不會(huì)參與到造計(jì)算機(jī)這種工作中。但是學(xué)了計(jì)組后，你能看到的視角是和別人不一樣的，而這個(gè)不一樣的視角就能在一些關(guān)鍵的問題上得到突破。我這里舉個(gè)簡單例子，你覺得下面這兩個(gè)?for?循環(huán)哪個(gè)效率會(huì)更高呢？為什么會(huì)更高呢？這個(gè)問題的關(guān)鍵在于，大家知不知道 CPU Cache 這個(gè)東西。我自己曾經(jīng)在還沒有學(xué)計(jì)組的時(shí)候，只覺得存儲(chǔ)設(shè)備就是我們常見的內(nèi)存和硬盤，學(xué)了后我才發(fā)現(xiàn)還有 CPU Cache 這個(gè)東西，而能不能充分利用到這個(gè)東西，就決定你程序的性能。CPU Cache 是 CPU 內(nèi)部的一個(gè)緩存，它的讀寫速度遠(yuǎn)高于內(nèi)存，所以它充當(dāng)內(nèi)存的緩存角色，當(dāng) CPU 要訪問的數(shù)據(jù)命中了 CPU Cache，就不用去從內(nèi)存上找數(shù)據(jù)，就像 MySQL 和 Redis 之間的關(guān)系。CPU Cache 一般會(huì)分為三層，分別是 L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache ，其中 L1 Cache 是各個(gè) CPU 核心獨(dú)立的，剩下的 L2 Cache、L3 Cache 是各個(gè)核心共享的。CPU Cache 的數(shù)據(jù)是從內(nèi)存中讀取過來的，它是以一小塊一小塊讀取數(shù)據(jù)的，而不是按照單個(gè)數(shù)組元素來讀取數(shù)據(jù)的，在 CPU Cache 中的，這樣一小塊一小塊的數(shù)據(jù)，稱為 Cache Line(緩存塊)。?如果 L1 Cache Line 大小是 64 字節(jié)，也就意味著 L1 Cache 一次載入數(shù)據(jù)的大小是 64 字節(jié)。比如，有一個(gè) int array[100] 的數(shù)組，當(dāng)載入 array[0] 時(shí)，由于這個(gè)數(shù)組元素的大小在內(nèi)存只占 4 字節(jié)，不足 64 字節(jié)，CPU 就會(huì)順序加載數(shù)組元素到 array[15] ，意味著 array[0]~array[15] 數(shù)組元素都會(huì) 被緩存在 CPU Cache 中了，因此當(dāng)下次訪問這些數(shù)組元素時(shí)，會(huì)直接從 CPU Cache 讀取，而不用再從內(nèi) 存中讀取，大大提高了 CPU 讀取數(shù)據(jù)的性能。CPU Cache 的概念簡單介紹完了，再來說說剛才的 for 循環(huán)問題。我直接說答案：形式一?array[i][j]?執(zhí)行時(shí)間比形式二?array[j][i]?快好幾倍。之所以有這么大的差距，是因?yàn)槎S數(shù)組?array?所占用的內(nèi)存是連續(xù)的，比如長度?N?的指是?2?的話，那么內(nèi)存中的數(shù)組元素的布局順序是這樣的：形式一用?array[i][j]?訪問數(shù)組元素的順序，正是和內(nèi)存中數(shù)組元素存放的順序一致。當(dāng) CPU 訪問?array[0][0]?時(shí)，由于該數(shù)據(jù)不在 Cache 中，于是會(huì)「順序」把跟隨其后的 3 個(gè)元素從內(nèi)存中加載到 CPU Cache，這樣當(dāng) CPU 訪問后面的 3 個(gè)數(shù)組元素時(shí)，就能在 CPU Cache 中成功地找到數(shù)據(jù)，這意味著緩存命中率很高，緩存命中的數(shù)據(jù)不需要訪問內(nèi)存，這便大大提高了代碼的性能。而如果用形式二的?array[j][i]?來訪問，則訪問的順序就是：你可以看到，訪問的方式跳躍式的，而不是順序的，那么如果 N 的數(shù)值很大，那么操作?array[j][i]?時(shí)，是沒辦法把?array[j 1][i]?也讀入到 CPU Cache 中的，既然?array[j 1][i]沒有讀取到 CPU Cache，那么就需要從內(nèi)存讀取該數(shù)據(jù)元素了。很明顯，這種不連續(xù)性、跳躍式訪問數(shù)據(jù)元素的方式，可能不能充分利用到了 CPU Cache 的特性，從而代碼的性能不高。那訪問?array[0][0]?元素時(shí)，CPU 具體會(huì)一次從內(nèi)存中加載多少元素到 CPU Cache 呢？這個(gè)問題，在前面我們也提到過，這跟 CPU Cache Line 有關(guān)，它表示?CPU Cache 一次性能加載數(shù)據(jù)的大小，可以在 Linux 里通過?coherency_line_size?配置查看 它的大小，通常是 64 個(gè)字節(jié)。也就是說，當(dāng) CPU 訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)不在 CPU Cache 中，則會(huì)一次性會(huì)連續(xù)加載 64 字節(jié)大小的數(shù)據(jù)到 CPU Cache，那么當(dāng)訪問?array[0][0]?時(shí)，由于該元素不足 64 字節(jié)，于是就會(huì)往后順序讀取?array[0][0]~array[0][15]?到 CPU Cache 中。順序訪問的?array[i][j]?因?yàn)槔昧诉@一特點(diǎn)，所以就會(huì)比跳躍式訪問的?array[j][i]?要快。因此，遇到這種遍歷數(shù)組的情況時(shí)，按照內(nèi)存布局順序訪問，將可以有效的利用 CPU Cache 帶來的好處，這樣我們代碼的性能就會(huì)得到很大的提升，CPU Cache 的內(nèi)容遠(yuǎn)不止于我說的這些，還有緩存一致性協(xié)議、偽共享、write through 和 write back 的方式等，這些都是非常重要的知識(shí)。
第五章：層次化存儲(chǔ)，講的是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，而且重點(diǎn)講的是 CPU Cahe。
計(jì)算機(jī)組成原理視頻課程
看書覺得很累，也可以結(jié)合視頻一起看，這里推薦哈工大的《計(jì)算機(jī)組成原理》視頻，在 b 站就可以直接看，大家自己去搜索就可以。看書和看視頻可以相互結(jié)合的，比如你看視頻看了計(jì)算機(jī)指令的內(nèi)容，然后你可以不用繼續(xù)往下看，可以回到一本書上，看書上對(duì)應(yīng)這個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，這是個(gè)很好的學(xué)習(xí)方法，視頻和書籍相輔相成。你要是覺得哈工大的計(jì)組課程太難，你可以看王道考研的計(jì)算機(jī)組成原理的視頻課程，同樣 b 站就可以看。這個(gè)視頻雖然是針對(duì)考研的，但是也是可以作為學(xué)習(xí)計(jì)組的資料，講的內(nèi)容不會(huì)太深，適合你快速建立計(jì)算機(jī)組成原理體系，和梳理計(jì)組知識(shí)的脈絡(luò)。
其他重合的計(jì)組知識(shí)都大同小異。CSAPP 的視頻課程是國外老師錄制的，但是在 b 站已經(jīng)有好人幫我們做了中文字幕，看了這視頻，相當(dāng)于在國外上了一門計(jì)算機(jī)課的感覺。如果你是在校生，有了一定 C 語言基礎(chǔ)后，非常建議你就開始看這本書，有精力也可以做做 CSAPP 的 lab。越早開始看，你的收益就越大，因?yàn)楫?dāng)計(jì)算機(jī)體系搭建起來后，你后面再深入每一個(gè)課程的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)起來會(huì)比較輕松些。對(duì)于已經(jīng)工作了，但是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí)的讀者，也可以從這本書開始一點(diǎn)一點(diǎn)學(xué)起來，這本書是很厚，但是并不一定要把書完完看完，每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)還是比較獨(dú)立的，有關(guān)硬件的章節(jié)我們可以選擇跳過。這就是我學(xué)計(jì)組的心得啦。沒學(xué)過計(jì)組的同學(xué)，可以找個(gè)時(shí)間補(bǔ)補(bǔ)了，提高下自己的「內(nèi)功」。干就完啦！
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