深入理解计算机系统| 存储器山

本文探讨了存储系统的抽象模型——存储器山,详细解释了读吞吐量、空间局部性和时间局部性的概念,以及如何通过prefetching机制提高数据访问效率。

存储器山

概念:

读吞吐量(read throughout):程序从存储系统读数据的速率成为读吞吐量或者读带宽;单位MB/s

空间局部性:Spatial locality refers to the use of data elements within relatively close storage locations.

时间局部性:Temporal locality refers to the reuse of specific data, and/or resources, within a relatively small time duration.

存储器山:是表示单台计算机的存储系统能力的抽象化,山脊是时间局部性,斜坡时空间局部性

核心:

从存储器山,可以读取如下信息:

【1】数据:L1_max: 14GB/s. 主存_min: 900MB/s (环境是core i7处理器的计算机)

【2】数据集过大,会导致时间局部性很差;

【3】时间局部性差,仍然可以通过空间局部性来弥补(步长为1);

【4】prefetching 硬件机制,可以大大消除空间复杂度的影响;prefetching机制,自动识别顺序/步长为1的引用模式,提前读到高速缓存中;

时间局部性空间局部性在计算机科学中有着广泛的体现,对于优化存储系统、提高计算机系统性能具有重要意义[^1]。 ### 时间局部性的体现 时间局部性指的是当一块内存区域,每隔一段时间就会被访问。在程序中,若一个变量在短时间内会被频繁访问,就体现了时间局部性。比如在函数中频繁对一个变量进行操作,像以下代码[^3]: ```cpp void test(){ int sum = 0; for(int i = 0; i < 100; ++i){ sum += i; } } ``` 在这个例子里,`sum` 变量在 `for` 循环中被多次访问,编译器可以推断该变量会被频繁使用,这就是时间局部性的体现。另外,在 C++ 矩阵乘法实现示例中,多次访问 `sum` 变量也利用了时间局部性[^2]: ```cpp #include <iostream> #include <vector> int main() { const int size = 1000; std::vector<int> array(size, 1); int sum = 0; // 利用空间局部性:按顺序访问数组元素 for (int i = 0; i < size; ++i) { sum += array[i]; } // 利用时间局部性:多次访问 'sum' 变量 for (int i = 0; i < size; ++i) { sum += i; } std::cout << "Sum: " << sum << std::endl; return 0; } ``` ### 空间局部性的体现 空间局部性描述的是程序在空间上的访问模式。当程序访问一个内存地址时,它很可能会接着访问其附近的内存地址。在 C++ 矩阵乘法示例中,按顺序访问数组元素就利用了空间局部性,代码如下[^2]: ```cpp #include <iostream> #include <vector> int main() { const int size = 1000; std::vector<int> array(size, 1); int sum = 0; // 利用空间局部性:按顺序访问数组元素 for (int i = 0; i < size; ++i) { sum += array[i]; } // 利用时间局部性:多次访问 'sum' 变量 for (int i = 0; i < size; ++i) { sum += i; } std::cout << "Sum: " << sum << std::endl; return 0; } ``` 在 `for` 循环中,按顺序依次访问 `array` 数组的元素,数组元素在内存中是连续存储的,访问一个元素后接着访问相邻元素,体现了空间局部性。
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