前言：大家好，我是小威，24届毕业生，上周在面试字节中，问到了一个关于CPU多级缓存架构的问题，当时答得并不是很好，之后查阅了资料，对此进行了复盘总结。
如果文章有什么需要改进的地方还请大佬不吝赐教👏👏。
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以下正文开始

计算机由很多部分组成，每个部分的性能和访问数据的速度也是有差别的。比如在计算机中，CPU的执行速度大于内存的执行速度和磁盘等IO设备的执行速度，内存的执行速度快于磁盘等IO设备的执行速度。

为了缩小CPU，内存，磁盘等IO设备访问数据速度的差距，CPU增加了缓存。目前很多CPU内部不仅有寄存器来存储数据，还有L1，L2，L3三级缓存。有了这些缓存的部件，CPU访问数据的效率得到了提升。下面对CPU的三级缓存进行简单介绍：

L1缓存是最接近CPU的，L1缓存每个核上有两个缓存，一个用于存储数据（Data Cache），一个用于存储指令（Instruction Cache）。L1缓存的存储速度最快，但是存储容量最小。

L2缓存的存储容量比L1缓存的存储容量大，存储速度比L1小。L2缓存的容量会影响到CPU的性能，因此一般L2的缓存会比较大，L2缓存是由CPU的物理核心独占的，逻辑核心共享的。

L3缓存的存储速度最小，但存储容量最大，L3缓存是由所有CPU物理核心共享的。

因此，在存储速度上：寄存器>L1缓存>L2缓存>L3缓存
在存储容量上:寄存器<L1缓存<L2缓存<L3缓存
级别越小的缓存，越接近CPU，其存储速度越大，存储容量越小。

所有CPU都能访问计算机中的主内存，当然，主内存的容量比CPU缓存的容量大，CPU与内存之间的数据通信是通过总线（地址总线，数据总线，控制总线）进行的。

CPU在读取数据时，会先从缓存中读取数据，再从内存中读取数据。

如果CPU需要读取寄存器中的数据，那么会直接读取。

如果CPU需要读取L1缓存中的数据，首先会将缓存行锁住，再读取缓存中的数据，然后解锁，意味着CPU从L1缓存中读取数据的操作结束了。

如果CPU需要读取L2缓存中的数据，那么会先从L1缓存中读取数据，如果要读取的数据在L1缓存中不存在，就会将L2缓存加锁，加锁成功后，将L2缓存中的数据复制到L1缓存上，CPU从L1缓存中读取数据完成后，再对L2缓存进行解锁操作，意味着从L2缓存中读取数据的操作结束。

如果CPU需要读取L3缓存中的数据，会先从L1缓存中读取数据，如果读取的数据不存在，再到L2缓存中读取数据，如果在L2缓存中还不存在，则会到L3缓存中读取数据。与L1，L2缓存一样，首先会将L3缓存锁住，将L3缓存复制到L2缓存，在从L2缓存复制到L1缓存上，然后CPU从L1缓存中读取数据后，会对L3进行解锁操作，此时表示从L3缓存中读取数据操作结束。

而CPU从内存中读取数据的过程非常复杂。当CPU从内存中读取数据时，需要先通知内存控制器占用计算机的总线带宽，然后通知内存加锁，并发起读取内存数据的请求，等待内存回应数据。内存回应的数据首先保存到L3缓存，再从L3缓存复制到L2缓存，然后从L2缓存复制到L1缓存中，最后由L1缓存到CPU。在完成整个过程后，解除总线锁定。从主内存读取数据的过程结束。

虽然CPU的多级缓存架构缓解了CPU与主内存中的速度差距，但是会引起缓存一致性问题，对于缓存一致性问题，我们下篇文章继续聊。

文章到这里就结束了，如果有什么疑问的地方请指出，诸佬们一起讨论🍻
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