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在存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)里誰(shuí)最快，誰(shuí)最貴，誰(shuí)最大？

前言
大家如果想自己組裝電腦的話，肯定需要購(gòu)買一個(gè) CPU，但是存儲(chǔ)器方面的設(shè)備，分類比較多，那我們肯定不能只買一種存儲(chǔ)器，比如你除了要買內(nèi)存，還要買硬盤(pán)，而針對(duì)硬盤(pán)我們還可以選擇是固態(tài)硬盤(pán)還是機(jī)械硬盤(pán) 。
相信大家都知道內(nèi)存和硬盤(pán)都屬于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備，斷電后內(nèi)存的數(shù)據(jù)是會(huì)丟失的，而硬盤(pán)則不會(huì)，因?yàn)橛脖P(pán)是持久化存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)也是一個(gè) I/O 設(shè)備。
但其實(shí) CPU 內(nèi)部也有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的組件，這個(gè)應(yīng)該比較少人注意到，比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是屬于存儲(chǔ)設(shè)備，只不過(guò)它們能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常小，但是它們因?yàn)榭拷?CPU 核心，所以訪問(wèn)速度都非?？?，快過(guò)硬盤(pán)好幾個(gè)數(shù)量級(jí)別。
問(wèn)題來(lái)了，那機(jī)械硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)、內(nèi)存這三個(gè)存儲(chǔ)器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？
在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)看看「存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)」，好讓我們對(duì)存儲(chǔ)器設(shè)備有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí) 。

存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)我們想象中一個(gè)場(chǎng)景，大學(xué)期末準(zhǔn)備考試了，你前去圖書(shū)館臨時(shí)抱佛腳。那么，在看書(shū)的時(shí)候，我們的大腦會(huì)思考問(wèn)題，也會(huì)記憶知識(shí)點(diǎn)，另外我們通常也會(huì)把常用的書(shū)放在自己的桌子上，當(dāng)我們要找一本不常用的書(shū)，則會(huì)去圖書(shū)館的書(shū)架找。就是這么一個(gè)小小的場(chǎng)景，已經(jīng)把計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)基本都涵蓋了。我們可以把 CPU 比喻成我們的大腦，大腦正在思考的東西，就好比 CPU 中的寄存器，處理速度是最快的，但是能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也是最少的，畢竟我們也不能一下同時(shí)思考太多的事情，除非你練過(guò) 。我們大腦中的記憶，就好比 CPU Cache，中文稱為 CPU 高速緩存，處理速度相比寄存器慢了一點(diǎn)，但是能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也稍微多了一些。CPU Cache 通常會(huì)分為 L1、L2、L3 三層，其中 L1 Cache 通常分成「數(shù)據(jù)緩存」和「指令緩存」，L1 是距離 CPU 最近的，因此它比 L2、L3 的讀寫(xiě)速度都快、存儲(chǔ)空間都小。我們大腦中短期記憶，就好比 L1 Cache，而長(zhǎng)期記憶就好比 L2/L3 Cache 。寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 內(nèi)部，跟 CPU 挨著很近，因此它們的讀寫(xiě)速度都相當(dāng)?shù)目?，但是能存?chǔ)的數(shù)據(jù)很少，畢竟 CPU 就這么丁點(diǎn)大。知道 CPU 內(nèi)部的存儲(chǔ)器的層次分布，我們放眼看看 CPU 外部的存儲(chǔ)器。當(dāng)我們大腦記憶中沒(méi)有資料的時(shí)候，可以從書(shū)桌或書(shū)架上拿書(shū)來(lái)閱讀，那我們桌子上的書(shū)，就好比內(nèi)存，我們雖然可以一伸手就可以拿到，但讀寫(xiě)速度肯定遠(yuǎn)慢于寄存器，那圖書(shū)館書(shū)架上的書(shū)，就好比硬盤(pán)，能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常大，但是讀寫(xiě)速度相比內(nèi)存差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，更別說(shuō)跟寄存器的差距了。

我們從圖書(shū)館書(shū)架取書(shū)，把書(shū)放到桌子上，再閱讀書(shū)，我們大腦就會(huì)記憶知識(shí)點(diǎn)，然后再經(jīng)過(guò)大腦思考，這一系列過(guò)程相當(dāng)于，數(shù)據(jù)從硬盤(pán)加載到內(nèi)存，再?gòu)膬?nèi)存加載到 CPU 的寄存器和 Cache 中，然后再通過(guò) CPU 進(jìn)行處理和計(jì)算。對(duì)于存儲(chǔ)器，它的速度越快、能耗會(huì)越高、而且材料的成本也是越貴的，以至于速度快的存儲(chǔ)器的容量都比較小。CPU 里的寄存器和 Cache，是整個(gè)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中價(jià)格最貴的，雖然存儲(chǔ)空間很小，但是讀寫(xiě)速度是極快的，而相對(duì)比較便宜的內(nèi)存和硬盤(pán)，速度肯定比不上 CPU 內(nèi)部的存儲(chǔ)器，但是能彌補(bǔ)存儲(chǔ)空間的不足。存儲(chǔ)器通?？梢苑譃檫@么幾個(gè)級(jí)別：