內(nèi)存條的基礎(chǔ)知識(shí)

接口類(lèi)型，是根據(jù)內(nèi)存條金手指上導(dǎo)電觸片的數(shù)量來(lái)劃分的。金手指上的導(dǎo)電觸片，也習(xí)慣稱(chēng)為針腳數(shù)(Pin)。因?yàn)椴煌膬?nèi)存采用的接口類(lèi)型各不相同，而每種接口類(lèi)型所采用的針腳數(shù)各不相同。下面就讓小編帶你去看看關(guān)于內(nèi)存條的基礎(chǔ)知識(shí)吧，希望能幫助到大家!

內(nèi)存知識(shí)詳解：接口類(lèi)型

1、金手指

金手指(connecting finger)是內(nèi)存條上與內(nèi)存插槽之間的連接部件，所有的信號(hào)都是通過(guò)金手指進(jìn)行傳送的。金手指由眾多金黃色的導(dǎo)電觸片組成，因其表面鍍金而且導(dǎo)電觸片排列如手指狀，所以稱(chēng)為“金手指”。金手指實(shí)際上是在覆銅板上通過(guò)特殊工藝再覆上一層金，因?yàn)榻鸬目寡趸詷O強(qiáng)，而且傳導(dǎo)性也很強(qiáng)。不過(guò)，因?yàn)榻鸢嘿F的價(jià)格，目前較多的內(nèi)存都采用鍍錫來(lái)代替。從上個(gè)世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，錫材料就開(kāi)始普及，目前主板、內(nèi)存和顯卡等設(shè)備的“金手指”，幾乎都是采用的錫材料，只有部分高性能服務(wù)器/工作站的配件接觸點(diǎn)，才會(huì)繼續(xù)采用鍍金的做法，價(jià)格自然不菲。

內(nèi)存的金手指

內(nèi)存處理單元的所有數(shù)據(jù)流、電子流，正是通過(guò)金手指與內(nèi)存插槽的接觸與 PC 系統(tǒng)進(jìn)行交換，是內(nèi)存的輸出輸入端口。因此，其制作工藝，對(duì)于內(nèi)存連接顯得相當(dāng)重要。

2、內(nèi)存插槽

最初的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)單獨(dú)的芯片安裝內(nèi)存，那時(shí)內(nèi)存芯片都采用 DIP(Dual ln-line Package，雙列直插式封裝)封裝，DIP 芯片是通過(guò)安裝在插在總線插槽里的內(nèi)存卡與系統(tǒng)連接，此時(shí)還沒(méi)有正式的內(nèi)存插槽。DIP 芯片有個(gè)最大的問(wèn)題，就在于安裝起來(lái)很麻煩，而且隨著時(shí)間的增加，由于系統(tǒng)溫度的反復(fù)變化，它會(huì)逐漸從插槽里偏移出來(lái)。隨著每日頻繁的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉，芯片不斷被加熱和冷卻，慢慢地芯片會(huì)偏離出插槽。最終導(dǎo)致接觸不好，產(chǎn)生內(nèi)存錯(cuò)誤。

內(nèi)存插槽

早期還有另外一種方法，是把內(nèi)存芯片直接焊接在主板或擴(kuò)展卡里，這樣有效避免了 DIP 芯片偏離的問(wèn)題，但無(wú)法再對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)展，而且如果一個(gè)芯片發(fā)生損壞，整個(gè)系統(tǒng)都將不能使用，只能重新焊接一個(gè)芯片或更換包含壞芯片的主板。此種方法付出的代價(jià)較大，也極為不便。

對(duì)于內(nèi)存存儲(chǔ)器，大多數(shù)現(xiàn)代的系統(tǒng)，都已采用單列直插內(nèi)存模塊(Single Inline Memory Module，SIMM)或雙列直插內(nèi)存模塊(Dual Inline Memory Module，DIMM)來(lái)替代單個(gè)內(nèi)存芯片。這些小板卡插入到主板或內(nèi)存卡上的特殊連接器里。

3、內(nèi)存模塊

1) SIMM

SIMM(Single Inline Memory Module，單列直插內(nèi)存模塊)。內(nèi)存條通過(guò)金手指與主板連接，內(nèi)存條正反兩面都帶有金手指。金手指可以在兩面提供不同的信號(hào)，也可以提供相同的信號(hào)。SIMM 就是一種兩側(cè)金手指都提供相同信號(hào)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，它多用于早期的 FPM 和 EDD DRAM，最初一次只能傳輸 8bif 數(shù)據(jù)，后來(lái)逐漸發(fā)展出 16bit、32bit 的 SIMM 模組。其中，8bit 和 16bit SIMM 使用 30pin 接口，32bit 的則使用72pin 接口。在內(nèi)存發(fā)展進(jìn)入 SDRAM 時(shí)代后，SIMM 逐漸被 DIMM 技術(shù)取代。

2) DIMM

DIMM(Dual Inline Memory Module，雙列直插內(nèi)存模塊)。與 SIMM 相當(dāng)類(lèi)似，不同的只是 DIMM 的金手指兩端，不像 SIMM 那樣是互通的，它們各自獨(dú)立傳輸信號(hào)。因此，可以滿足更多數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送需要。同樣采用 DIMM，SDRAM 的接口與 DDR 內(nèi)存的接口也略有不同，SDRAMDIMM 為 168Pin DIMM 結(jié)構(gòu)，金手指每面為 84Pin，金手指上有兩個(gè)卡口，用來(lái)避免插入插槽時(shí)，錯(cuò)誤將內(nèi)存反向插入而導(dǎo)致燒毀;

DDR DIMM則采用 184Pin DIMM 結(jié)構(gòu)，金手指每面有 92Pin，金手指上只有一個(gè)卡口?？跀?shù)量的不同，是二者最為明顯的區(qū)別。DDR2 DIMM 為240pinDIMM 結(jié)構(gòu)，金手指每面有 120Pin，與 DDR DIMM 一樣金手指一樣，也只有一個(gè)卡口，但是卡口的位置與 DDR DIMM 稍微有一些不同。因此，DDR 內(nèi)存是插不進(jìn) DDR2 DIMM 的，同理 DDR2 內(nèi)存也是插不進(jìn) DDR DIMM 的。因此，在一些同時(shí)具有 DDR DIMM 和 DDR2 DIMM 的主板上，不會(huì)出現(xiàn)將內(nèi)存插錯(cuò)插槽的問(wèn)題。

不同針腳 DIMM 接口對(duì)比。為了滿足筆記本電腦對(duì)內(nèi)存尺寸的要求，SO-DIMM(Small Outline DIMM Module)也開(kāi)發(fā)了出來(lái)，它的尺寸比標(biāo)準(zhǔn)的 DIMM 要小很多，而且引腳數(shù)也不相同。同樣 SO-DIMM 也根據(jù) SDRAM 和 DDR 內(nèi)存規(guī)格不同而不同。SDRAM 的 SO-DIMM 只有 144pin引腳，而DDR 的 SO-DIMM 擁有 200pin 引腳。此外，筆記本內(nèi)存還有 MicroDIMM 和 Mini Registered DIMM 兩種接口。MicroDIMM 接口的DDR 為 172pin，DDR2 為 214pin;Mini Registered DIMM 接口為 244pin，主要用于 DDR2 內(nèi)存。

3) RIMM

RIMM(Rambus Inline Memory Module)是 Rambus 公司生產(chǎn)的 RDRAM 內(nèi)存所采用的接口類(lèi)型。RIMM 內(nèi)存與 DIMM 的外型尺寸差不多，金手指同樣也是雙面的。RIMM 有也 184 Pin 的針腳，在金手指的中間部分有兩個(gè)靠的很近的卡口。RIMM 非 ECC 版有 16 位數(shù)據(jù)寬度，ECC 版則都是 18 位寬。由于 RDRAM 內(nèi)存較高的價(jià)格，此類(lèi)內(nèi)存在 DIY 市場(chǎng)很少見(jiàn)到，RIMM 接口也就難得一見(jiàn)了。

基礎(chǔ)知識(shí)(入門(mén)篇)

關(guān)于01

我們初學(xué)編程時(shí)，只知道編寫(xiě)代碼，運(yùn)行程序，卻不知道程序是在什么的基礎(chǔ)上運(yùn)行的。只知道聲明變量，給變量賦值，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在變量中，卻不知道變量是以什么形式存在。

《內(nèi)存》可以參考《計(jì)算機(jī)組成原理》和《微機(jī)原理》書(shū)籍，而作為信息學(xué)奧賽的同學(xué)們，只需了解《內(nèi)存》的一些基礎(chǔ)知識(shí)即可，不必深究。

關(guān)于《計(jì)算機(jī)組成原理》，可參考文章：

【計(jì)算機(jī)組成原理】(入門(mén)篇)

目錄02

1、內(nèi)存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、數(shù)據(jù)是如何存儲(chǔ)在內(nèi)存中

3、數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的表現(xiàn)形式

4、存儲(chǔ)單元的大小

5、如何從內(nèi)存中尋找指定的數(shù)據(jù)(內(nèi)存地址)

概要03

本篇主要講解有關(guān)《內(nèi)存》的基礎(chǔ)知識(shí)，有助于自己在編程上的進(jìn)一步提升。

為什么學(xué)習(xí)《內(nèi)存》的知識(shí)可以提升自己對(duì)編程進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)呢?

其實(shí)，我們學(xué)習(xí)信奧(C/C++)時(shí)，一般只是學(xué)習(xí)C/C++的相關(guān)語(yǔ)法。當(dāng)我們練習(xí)多了，可以熟練地運(yùn)用各種語(yǔ)法。我們也知道如何將1+1賦給一個(gè)int類(lèi)型變量，也知道不能把整數(shù)1賦給string類(lèi)型變量(對(duì)象)。但是1+1賦值操作在內(nèi)存中是如何實(shí)現(xiàn)的呢?為什么浮點(diǎn)型存在誤差?為什么int類(lèi)型與string類(lèi)型不能直接賦值操作?

我們只知道編寫(xiě)的程序在內(nèi)存中運(yùn)行，卻不知道數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是如何存儲(chǔ)的。就好比只看到書(shū)籍的封面，但不知道書(shū)中的內(nèi)容。

要求04

在學(xué)習(xí)《內(nèi)存》之前，我們只需掌握C/C++一些基礎(chǔ)知識(shí)，可以獨(dú)立解決一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題即可。

內(nèi)存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對(duì)于信息學(xué)奧賽的同學(xué)們來(lái)說(shuō)，《內(nèi)存》這一概念比較抽象。不過(guò)，經(jīng)過(guò)閱讀文章《【計(jì)算機(jī)組成原理】(入門(mén)篇)》后，相信同學(xué)們對(duì)內(nèi)存的概念清晰了不少，至少知道內(nèi)存是用來(lái)存儲(chǔ)程序運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。

常用數(shù)據(jù)一般存儲(chǔ)在硬盤(pán)中，如果對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(例如使用Word寫(xiě)一篇文章)，并不是CPU直接對(duì)硬盤(pán)的文件進(jìn)行操作，而是從硬盤(pán)相對(duì)應(yīng)的位置把該文件的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，CPU再對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。簡(jiǎn)單地說(shuō)，《內(nèi)存》是CPU與硬盤(pán)進(jìn)行溝通的“橋梁”。當(dāng)然，并不一定是硬盤(pán)，平時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備還有U盤(pán)等，統(tǒng)稱(chēng)為外存。

《內(nèi)存》內(nèi)部由數(shù)以億計(jì)的納米級(jí)電子元件構(gòu)成。

如上圖，內(nèi)存條由存儲(chǔ)芯片、金手指、電路組成。

存儲(chǔ)芯片：黑色的方塊。每個(gè)方塊由很多的晶體管組成，可以理解為數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在晶體管中。

金手指：底部的金色金屬片。內(nèi)存條插在主板的內(nèi)存條插槽中，實(shí)際上與插槽接觸的部位就是金手指。如此一來(lái)，CPU就可以通過(guò)主板與內(nèi)存進(jìn)行通信。

電路：綠色面板。面板中有許多細(xì)微的線路和電阻等電子元件，用于數(shù)據(jù)的傳輸。

數(shù)據(jù)是如何存儲(chǔ)在內(nèi)存中

家里控制電燈的開(kāi)關(guān)，電腦的開(kāi)關(guān)。存儲(chǔ)芯片中的晶體管也是如此。程序運(yùn)行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在晶體管中。

如上圖，每個(gè)方格代表一個(gè)晶體管。

如下圖，每個(gè)晶體管都有獨(dú)立的開(kāi)關(guān)，通電時(shí)開(kāi)，斷電時(shí)關(guān)。此處用白色表示開(kāi)，黑色表示關(guān)。

一個(gè)數(shù)值并不是只存儲(chǔ)在一個(gè)晶體管中，是多個(gè)晶體管。而多個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元。

存儲(chǔ)單元的大小

存儲(chǔ)單元有大小，而一個(gè)存儲(chǔ)單元的大小是8位(bit)。

內(nèi)存中常用的存儲(chǔ)單位是：位(bit)、字節(jié)(Byte)。

1字節(jié)=8位

那么一個(gè)存儲(chǔ)單元也是1字節(jié)。

關(guān)于《存儲(chǔ)單位》的相關(guān)知識(shí)，會(huì)以一篇獨(dú)立的文章詳細(xì)講解。

數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的表現(xiàn)形式

數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)。

十進(jìn)制是由0~9組成，而二進(jìn)制是由0和1組成。

如上圖，這是一個(gè)存儲(chǔ)單元(8bit)，有8個(gè)格子，一個(gè)格子表示1bit。而每一個(gè)格子的值要么0，要么為1。其中，白色表示開(kāi)，黑色表示關(guān)，一般用1和0分別表示開(kāi)和關(guān)。那么用二進(jìn)制表示是01101001，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的值是105，所以該存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的值就是105。

關(guān)于《進(jìn)制》的相關(guān)知識(shí)，會(huì)以一篇獨(dú)立的文章詳細(xì)講解。

此處只講解數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式很復(fù)雜。

如何從內(nèi)存中尋找指定的數(shù)據(jù)(內(nèi)存地址)

先舉個(gè)例子：

如上圖，有幾棟樓房，我們都知道，每一棟樓都有一個(gè)具體的地址，而一棟樓的每家每戶都有各自的房號(hào)，從而組成一個(gè)完整的地址。而我們的個(gè)人居民身份證就有一個(gè)詳細(xì)地址。

居民身份證除了有地址外，還有身份證號(hào)碼，每一個(gè)號(hào)碼都是唯一。

如何從內(nèi)存中尋找指定的數(shù)據(jù)?

內(nèi)存中的存儲(chǔ)單元就像人一樣，都有著獨(dú)一無(wú)二的“身份證號(hào)碼”，就是地址。比如警察叔叔根據(jù)身份證號(hào)碼就能查到對(duì)應(yīng)的個(gè)人信息。

再舉個(gè)例子：

如上圖，這是一個(gè)書(shū)柜，又分成若干個(gè)小柜子，現(xiàn)對(duì)每個(gè)小柜子進(jìn)行分類(lèi)放置書(shū)籍并設(shè)置標(biāo)簽。我們要尋找某一本書(shū)時(shí)，根據(jù)標(biāo)簽就可以輕松找到。程序運(yùn)行時(shí)也是一樣，知道要在什么地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。

其他疑問(wèn)

為什么要分十進(jìn)制而二進(jìn)制?

簡(jiǎn)單說(shuō)，十進(jìn)制是給人用的，而二進(jìn)制是給機(jī)器用的。

數(shù)據(jù)有數(shù)字、字母、符號(hào)、聲音、圖像等等。數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中。

內(nèi)存數(shù)據(jù)輸出到顯示器時(shí)，為什么可以顯示我們?nèi)祟?lèi)能看懂的信息?

內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理后，我們才能看懂。我們所看到的數(shù)據(jù)(例如一篇文章、一張照片、一部電影)，它們的本質(zhì)還是二進(jìn)制。

你不知道的內(nèi)存知識(shí)

一、CPU與內(nèi)存

先鋪墊幾個(gè)概念，以免后面混亂：

Socket或Processor: 指一個(gè)物理CPU芯片，盒裝還是散裝的。上面有很多針腳，直接安裝在主板上。

Core : 指在Processor里封裝一個(gè)CPU核心，每個(gè)Core都是完全獨(dú)立的計(jì)算單元，我們平時(shí)說(shuō)的4核心CPU，指的就是Processor里面封裝了4個(gè)Core。

HT超線程：目前Intel與AMD的Processor大多支持在一個(gè)Core里并行執(zhí)行兩個(gè)線程，此時(shí)從操作系統(tǒng)看就相當(dāng)于兩個(gè)邏輯CPU(Logical Processor)。大多數(shù)情況下，我們程序里提到的CPU概念就是指的這個(gè)Logical Processor。

咱們先來(lái)看幾個(gè)問(wèn)題：

1、CPU可以直接操作內(nèi)存嗎?

可能一大部分老鐵肯定會(huì)說(shuō)：肯定的啊，不能操作內(nèi)存怎么讀取數(shù)據(jù)呢。

其實(shí)如果我們用這聰明的大腦想一想，咱們的臺(tái)式主機(jī)大家肯定都玩過(guò)。上面CPU和內(nèi)存條是兩個(gè)完全獨(dú)立的硬件啊，而且CPU也沒(méi)有任何直接插槽用于掛載內(nèi)存條的。

也就是說(shuō)，CPU和內(nèi)存條是物理隔離的，CPU并不能直接的訪問(wèn)內(nèi)存條，而是需要借助主板上的其他硬件間接的來(lái)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)。

2、CPU的運(yùn)算速度和內(nèi)存條的訪問(wèn)速度差距有多大?

呵呵呵，這么說(shuō)吧，就是一個(gè)鴻溝啊，CPU的運(yùn)算速度與內(nèi)存訪問(wèn)速度之間的差距是100倍。

而由于CPU與內(nèi)存之間的速度差存在N個(gè)數(shù)量級(jí)的巨大鴻溝，于是CPU最親密的小伙伴Cache 閃亮登場(chǎng)了。與DRAM 家族的內(nèi)存(Memory)不同，Cache來(lái)自SRAM家族。

而DRAM與SRAM的最簡(jiǎn)單區(qū)別就是后者特別快，容量特別小，電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，造價(jià)特別高。

而Cache與主內(nèi)存之間的巨大性能差距主要還是工作原理與結(jié)構(gòu)不同：

DRAM存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)只需要一個(gè)電容加一個(gè)晶體管，SRAM則需要6個(gè)晶體管。

由于DRAM的數(shù)據(jù)其實(shí)是被保存在電容里的，所以每次讀寫(xiě)過(guò)程中的充放電環(huán)節(jié)也導(dǎo)致了DRAM讀寫(xiě)數(shù)據(jù)有一個(gè)延時(shí)的問(wèn)題，這個(gè)延時(shí)通常為十幾到幾十ns。

內(nèi)存可以被看作一個(gè)二維數(shù)組，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有其行地址和列地址。

由于SRAM的容量很小，所以存儲(chǔ)單元的地址(行與列)比較短，可以被一次性傳輸?shù)絊RAM中。DRAM則需要分別傳送行與列的地址。

SRAM的頻率基本與CPU的頻率保持一致，而DRAM的頻率直到DDR4以后才開(kāi)始接近CPU的頻率。

3、Cache 是怎么使用的?

其實(shí)Cache 是被集成到CPU內(nèi)部的一個(gè)存儲(chǔ)單元(平時(shí)也被我們稱(chēng)為高速緩存)，由于其造價(jià)昂貴，并且存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足CPU大量、高速存取的需求。

所以出于對(duì)成本的控制，在現(xiàn)實(shí)中往往采用金字塔形的多級(jí)Cache體系來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳緩存效果。

于是出現(xiàn)了，一級(jí)Cache(L1 Cache)、二級(jí)Cache(L2 Cache)及三級(jí)Cache(L3 Cache)。每一級(jí)都犧牲了部分性能指標(biāo)來(lái)?yè)Q取更大的容量，目的也是存儲(chǔ)更多的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。

以Intel家族Intel SandyBridge架構(gòu)的CPU為例：

L1 Cache容量為64KB，訪問(wèn)速度為1ns左右

L2Cache容量擴(kuò)大4倍，達(dá)到256KB，訪問(wèn)速度則降低到3ns左右

L3 Cache的容量則擴(kuò)大512倍，達(dá)到32MB，訪問(wèn)速度也下降到12ns左右(也比訪問(wèn)主存的105ns(40ns+65ns)快一個(gè)數(shù)量級(jí))

L3 Cache是被一個(gè)Socket上的所有CPU Core共享的，其實(shí)最早的L3 Cache被應(yīng)用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當(dāng)時(shí)的L3 Cache受限于制造工藝，并沒(méi)有被集成到CPU內(nèi)部，而是被集成在主板上，如圖：

從上圖我們也能看出來(lái)，CPU如果要訪問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，則需要經(jīng)過(guò)L1、L2、L3三道關(guān)卡，就是這三個(gè)Cache中都沒(méi)有需要的數(shù)據(jù)，才會(huì)從主內(nèi)存中直接進(jìn)行讀取。

最后我們來(lái)看下Intel Sandy Bridge CPU的架構(gòu)圖：

二、多核CPU與內(nèi)存共享的問(wèn)題

問(wèn)題：Cache一致性問(wèn)題

多核CPU共享內(nèi)存的問(wèn)題也被稱(chēng)為Cache一致性問(wèn)題。

其實(shí)就是多個(gè)CPU核心看到的Cache數(shù)據(jù)應(yīng)該是一致的，在某個(gè)數(shù)據(jù)被某個(gè)CPU寫(xiě)入自己的Cache(L1 Cache)以后，其他CPU都應(yīng)該能看到相同的Cache數(shù)據(jù)。

如果在自己的Cache中有舊數(shù)據(jù)，則拋棄舊數(shù)據(jù)。

考慮到每個(gè)CPU都有自己內(nèi)部獨(dú)占的Cache，所以這個(gè)問(wèn)題與分布式Cache保持同步的問(wèn)題是同一類(lèi)問(wèn)題

目前業(yè)界公認(rèn)的解決一致性問(wèn)題的最佳方案就是Intel 的MESI協(xié)議了，大多數(shù)SMP架構(gòu)都采用了這一方案。

解決方案：MESI

不知道大家還記得Cache Line 嗎，就是我們常說(shuō)的高速緩存中緩存條目里面的那個(gè)緩存行。

其實(shí)仔細(xì)想想，在進(jìn)行I/O操作從來(lái)不以字節(jié)為單位，而是以塊為單位，有兩個(gè)原因：

I/O 操作比較慢，所以讀一個(gè)字節(jié)與讀連續(xù)N個(gè)字節(jié)的花費(fèi)時(shí)間基本相同

數(shù)據(jù)訪問(wèn)一般都具有空間連續(xù)的特征

所以CPU針對(duì)Memory的讀寫(xiě)也采用了類(lèi)似于I/O塊的方式

實(shí)際上，CPU Cache(高速緩存)里最小的存儲(chǔ)單元就是Cache line(緩存行)，Intel CPU 的一個(gè)Cache Line存儲(chǔ)64個(gè)字節(jié)。

每一級(jí)Cache都被劃分為很多組Cache Line,典型的情況就是4條Cache Line為一組。

當(dāng)Cache從Memory中加載數(shù)據(jù)時(shí)，一次加載一條Cache Line的數(shù)據(jù)

如圖我們可以看到，每個(gè)Cache Line 頭部都有兩個(gè)Bit來(lái)標(biāo)識(shí)自身狀態(tài)，總共四種：

M(Modified)：修改狀態(tài)，在其他CPU上沒(méi)有數(shù)據(jù)的副本，并且在本CPU上被修改過(guò)，與存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)不一致，最終必然會(huì)引發(fā)系統(tǒng)總線的寫(xiě)指令，將Cache Line中的數(shù)據(jù)寫(xiě)回Memory中。

E(E__clusive)：獨(dú)占狀態(tài)，表示當(dāng)前Cache Line中的數(shù)據(jù)與Memory中的數(shù)據(jù)一致，此外，在其他CPU上沒(méi)有數(shù)據(jù)的副本。

S(Shared)：共享狀態(tài)，表示Cache Line中的數(shù)據(jù)與Memory中的數(shù)據(jù)一致，而且當(dāng)前CPU至少在其他某個(gè)CPU中有副本。

I(Invalid)：無(wú)效狀態(tài)，在當(dāng)前Cache Line中沒(méi)有有效數(shù)據(jù)或者該Cache Line數(shù)據(jù)已經(jīng)失效，不能再用;當(dāng)Cache要加載新數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先選擇此狀態(tài)的Cache Line，此外，Cache Line的初始狀態(tài)也是I狀態(tài)

在對(duì)Cache(高速緩存)的讀寫(xiě)操作引發(fā)了Cache Line(緩存行)的狀態(tài)變化，因而可以將其理解為一種狀態(tài)機(jī)模型。

但MESI的復(fù)雜和獨(dú)特之處在于狀態(tài)有兩種視角：

一種是當(dāng)前讀寫(xiě)操作(Local Read/Write)所在CPU看到的自身的Cache Line狀態(tài)及其他CPU上對(duì)應(yīng)的Cache Line狀態(tài)

另一種是一個(gè)CPU上的Cache Line狀態(tài)的變遷會(huì)導(dǎo)致其他CPU上對(duì)應(yīng)的Cache Line狀態(tài)變遷。

如下所示為MESI協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

具體MESI的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以看我另一篇文章：看懂這篇，才能說(shuō)了解并發(fā)底層技術(shù)

深入理解不一致性內(nèi)存

MESI協(xié)議解決了多核CPU下的Cache一致性問(wèn)題，因而成為SMP架構(gòu)的唯一選擇，而SMP架構(gòu)近幾年迅速在PC領(lǐng)域(__86)發(fā)展。

SMP架構(gòu)是一種平行的架構(gòu)，所有CPU Core都被連接到一個(gè)內(nèi)存總線上，它們平等訪問(wèn)內(nèi)存，同時(shí)整個(gè)內(nèi)存是統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一尋址的。

如下所示給出了SMP架構(gòu)的示意圖：

隨著CPU核心數(shù)量的不斷增加，SMP架構(gòu)也暴露出天生的短板，其根本瓶頸是共享內(nèi)存總線的帶寬無(wú)法滿足CPU數(shù)量的增加，同時(shí)，在一條“馬路”上通行的“車(chē)”多了，難免會(huì)陷入“擁堵模式”。

不知道你是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)總線風(fēng)暴，可以看下：總線風(fēng)暴

在這種情況下，分布式解決方案應(yīng)運(yùn)而生，系統(tǒng)的內(nèi)存與CPU進(jìn)行分割并捆綁在一起，形成多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)之間高速互聯(lián)，這就是NUMA(None Uniform Memory Architecture)架構(gòu)，如下圖所示。

可以看出，NUMA架構(gòu)中的內(nèi)存被分割為獨(dú)立的幾塊，被不同CPU私有化了。

因此在CPU訪問(wèn)自家內(nèi)存的時(shí)候會(huì)非?？欤谠L問(wèn)其他CPU控制的內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，則需要通過(guò)內(nèi)部互聯(lián)通道訪問(wèn)。

NUMA架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是其伸縮性，就算擴(kuò)展到幾百個(gè)CPU也不會(huì)導(dǎo)致性嚴(yán)重的下降。

NUMA技術(shù)的特點(diǎn)

在NUMA架構(gòu)中引入了一個(gè)重要的新名詞——Node

一個(gè)Node由一個(gè)或者多個(gè)Socket Socket組成，即物理上的一個(gè)或多個(gè)CPU芯片組成一個(gè)邏輯上的Node

我們來(lái)看一個(gè)Dell PowerEdge系列服務(wù)器的NUMA的架構(gòu)圖：

從上圖可以看出其特點(diǎn)：

4個(gè)處理器形成4個(gè)獨(dú)立的NUMA Node由于每個(gè)Node都為8 Core，支持雙線程

每個(gè)Node里的Logic CPU數(shù)量都為16個(gè)，占每個(gè)Node分配系統(tǒng)總內(nèi)存的1/4

每個(gè)Node之間都通過(guò)Intel QPI(QuickPath Interconnect)技術(shù)形成了點(diǎn)到點(diǎn)的全互聯(lián)處理器系統(tǒng)

NUMA這種基于點(diǎn)到點(diǎn)的全互聯(lián)處理器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于共享總線的處理器系統(tǒng)的SMP還是有巨大差異的。

在這種情況下無(wú)法通過(guò)嗅探總線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)Cache一致性，因此為了實(shí)現(xiàn)NUMA架構(gòu)下的Cache一致性，Intel引入了MESI協(xié)議的一個(gè)擴(kuò)展協(xié)議——MESIF

針對(duì)NUMA的支持

NUMA架構(gòu)打破了傳統(tǒng)的“全局內(nèi)存”概念，目前還沒(méi)有任意一種編程語(yǔ)言從內(nèi)存模型上支持它，當(dāng)前也很難開(kāi)發(fā)適應(yīng)NUMA的軟件。

Java在支持NUMA的系統(tǒng)里，可以開(kāi)啟基于NUMA的內(nèi)存分配方案，使得當(dāng)前線程所需的內(nèi)存從對(duì)應(yīng)的Node上分配，從而大大加快對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程

在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，NUMA系統(tǒng)正發(fā)揮著越來(lái)越強(qiáng)大的作用，SAP的高端大數(shù)據(jù)系統(tǒng)HANA被SGI在其UV NUMA Systems上實(shí)現(xiàn)了良好的水平擴(kuò)展

在云計(jì)算與虛擬化方面，OpenStack與VMware已經(jīng)支持基于NUMA技術(shù)的虛機(jī)分配能力，使得不同的虛機(jī)運(yùn)行在不同的Core上，同時(shí)虛機(jī)的內(nèi)存不會(huì)跨越多個(gè)NUMA Node