【数据结构】比较顺序表和链表的区别（优缺点），细讲CPU高速缓存命中率

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一、顺序表和链表的区别【表格】

不同点	顺序表	链表（带头双向循环链表）
存储空间上	物理上一定连续	逻辑上连续，但物理上不一定连续
随机访问（用下标随机访问）	支持复杂度为O(1)	不支持复杂度为O(N)
任意位置插入或者删除元素	可能需要搬移元素，效率低复杂度为O(N）	只需要修改指针的指向
插入	动态顺序表，空间不够时需要扩容	没有容量的概念
应用场景	元素高效存储+频繁访问	频繁插入和删除任意位置
缓存利用率	高	低

二、顺序表优缺点

优势

能够通过下标进行随机访问
物理上一定连续
缓存利用率高

缺点

扩容有消耗。扩容分为原地扩容和异地扩容，当为异地扩容时，消耗容量更多，因为还要进行数据的拷贝到新的空间，然后再释放掉原来的空间。
扩容还有可能存在空间浪费。例如：开辟了100个空间，却只用了80个，浪费了20个空间。
在插入删除时需要移动大量的元素

三、链表优缺点

优势

可以任意位置插入和删除元素
没有扩容的消耗，可以按需申请和释放
不浪费空间

缺点

不能用下标随机访问。所以链表排序意义不大，不如用数组进行排序（因为不能随机访问）
缓存利用率低

所以说，顺序表和链表是互补的线性结构

四、缓存命中率（缓存利用率）

❥ 主存和本地二级存储

下图1是计算机存储器的层次结构。计算机的内部存储体系分为很多层，其中有两个使我们所熟知的，分别是

主存：也就是电脑的内存
本地磁盘：也就是硬盘

内存和硬盘的区别：

内存：带电存储，速度很快，一个电脑内存一般是8/16G。
硬盘：不带电存储，速度较慢。

虽然他们的区别是速度快慢问题，但本质区别是他们是否带电存储。

那何为带电不带电存储呢？

举个例子 ! ! !

        假设我们正在word上写笔记，这时候如果我们把电脑里的电池扣掉，那么正在word上写的笔记就会消失，再打开电脑就需要我们重新再写，为什么呢？

        这是因为我们写的笔记不是存在硬盘中，而是存在内存。

        为什么不存在硬盘呢？

        是因为硬盘的速度比较慢。

        那什么情况下它才会存在硬盘中呢？

        我们点击左上角的保存（或者直接ctrl+s），鼠标转两个圈圈（转圈说明速度较慢），这样就会保存到文件中，也就保存到了硬盘当中。

        若是存好之后我们又想修改一下我们的笔记，那修改之后的内容是不会存到文件中的，需要我们再次进行保存。

所以金字塔越往下存储容量越大，访问速度越来越慢，成本价格也越来越低。

❥ 寄存器和三级缓存

除此之外，我们发现每个电脑都还有一个寄存器和三级缓存。

补充：CPU和寄存器定义

CPU（中央处理器）是一块超大规模的集成电路，它是计算机的运算核心和控制核心。它由控制单元、运算单元和存储单元组成，负责解释计算机指令和处理软件中的数据。
寄存器是位于CPU内部的一种物理存储器，用于高速存储指令和数据，设计目的是在CPU内部快速访问这些存储区域。

我们已经有了内存，且内存速度也还行，为什么还要有三级缓存呢？

分析如下：

代码：

int a = 0;
++a;

转到反汇编（汇编就是对应的指令），如下图所示：

我们定义了变量a，这个变量i是存储在内存中，现在对a执行下一步指令（即++a）。

那么谁来对i执行++a指令呢？

是CPU。CPU可以执行各种各样的指令（加减乘除，异或等）。

上图我们可知：++a转到反汇编，分为三步执行：

首先它不是直接对内存a的位置进行++，它是把a从内存中读取出来，存储到eax这个寄存器
然后执行inc eax指令，对寄存器中的值进行自增
最后再把寄存器中自增完的值返回到ptr[a]这个位置。

为什么要这样做呢？

是因为它们不同频，cpu运行的速度太快，如果它直接去访问内存，把内存数据访问到，然后对内存的数据直接进行++，速度太慢；所以更愿意把这个数据从内存加载到寄存器，（因为访问寄存器很快，越往上速度越快），然后在寄存器中cpu执行这个指令（cpu中有加法器，执行完之后再把这个结果返回到内存里面），而不是去访问内存。

cpu通常是不会直接去访问内存，如果去访问内存的数据，内存的数据比较小，通常就会加载到寄存器。

这里的小指的是4/8个字节。

如果比较大就会加载到缓存（三级缓存），一级一级加载。

假设我们要执行一段指令，要访问顺序表和链表里的一段数据，例如：1 2 3 4

在这里这些数据分别是怎么访问的呢？

我们知道，不管是顺序表还是链表，这些数据都是在内存中（堆上）的。

假设我们要执行顺序表或链表 +1 -1 等类似操作，cpu是不会直接去访问这个内存的，而是加载到缓存去访问。

加载到缓存的原因：

因为这些数据1 2 3 4 太大，所以它们不会加载到寄存器中，而是加载到缓存当中。

假设我们要访问1 2 3 4 这一段数据，cpu就会查看首元素的地址在不在缓存