33、程序分析中涉及的系统概述

程序分析中涉及的系统概述

1. 引言

本附录涵盖了一系列对程序性能有显著影响的概念。其中两个部分与内存使用（包括虚拟内存管理）相关，一个部分关于运行时支持功能（垃圾回收），还有一个部分是关于将源代码转换为优化目标代码的编译器（优化编译器）。这些在软件执行时都起着重要作用。

2. 内存层次结构

大多数现代计算系统都有一个内存层次结构，包括寄存器、缓存、主内存和外部内存。寄存器是执行操作的地方，因为只有寄存器可以执行操作。操作需要操作数，这些操作数必须从存储中获取。由于应用程序及其数据通常都存储在磁盘（常见的外部内存）上，代码和相关数据在使用前必须先安装到主内存，再到缓存。

以下是内存层次结构的相关信息：
| 内存类型 | 特点 | 访问时间 | 数据传输单位 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 寄存器 | 执行操作的地方 | 极快 | 单个操作数 |
| 缓存 | 速度比主内存快3 - 10倍 | 较快 | 缓存行（数百字节） |
| 主内存 | 数据存储和处理的主要区域 | 适中 | 缓存行 |
| 外部内存（磁盘） | 大容量存储 | 慢（数十毫秒） | 块（约10³字节） |

访问磁盘是以块为单位，一个块大约是10³字节或字。由于磁盘是机械设备，过去二十年来访问时间没有显著增加。从磁盘检索一个块大约需要数十毫秒，这对于现代计算系统来说是很长的时间，相当于数百万条指令甚至更多。

一旦数据在主内存中，必须将其传输到缓存，寄存器才能获取数据。数据以缓存行为单位传输到缓存，而不是单个数据项。缓存行大约是数百字节。缓存的访问时间随着