程序员必须了解的CPU知识 - 科普篇

本文科普CPU基础知识,包括CPU与内存交互、CPU缓存系统,以及三级缓存(L1、L2、L3)的工作原理。通过实例分析了Cache Line对程序性能的影响,探讨了缓存命中率和多核数据一致性问题。

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1. 导读

对于一名程序员来说,无论你使用的是什么语言,代码最终都会交给CPU来执行。所以了解CPU相关的知识一方面属于程序员的内功,另一方面也可以帮助你在日常编写代码时写出更加高效的代码

本文不打算对CPU进行深入探究,相反是以简单的语言来帮助大家了解CPU的工作原理以及不得不提到的CPU缓存相关知识,其中晦涩的内容我会通过配图来帮助大家理解,最后会以几个例子来帮助大家更直观的感受到CPU缓存带来的性能影响

2. CPU基础知识

CPU即Central Processing Unit(中央处理器),是我们的代码打交道最多的硬件之一,要想让一个CPU工作,就必须给它提供指令数据,而这里的指令和数据一般就放在我们的内存当中。其中指令就是由我们平常编写的代码翻译而来,数据也是我们代码中需要用到的数据(例如一个int值、一串字符串等等)

以C语言为例,从我们开始编写到运行的生命周期可以粗略的用下图表示:

image.png

大致分为以下几个步骤

  1. 我们日常中使用编辑器或者IDE敲入代码
  2. 代码编写完成后使用编译和链接工具生成可以被执行的程序,也就是机器语言(指令的集合)
  3. 当程序被运行时,整个程序(包括指令和数据)会被完整的载入到内存当中
  4. CPU不停的向内存读取该程序的指令执行直到程序结束

通过上述第4步我们知道,CPU自身是没有保存我们的程序的,需要不停的向内存读取

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