CPU 多级缓存模型

一、为什么需要缓存

CPU 速度远快于内存：CPU 一个时钟周期 0.3ns，内存访问 80ns，差 300 倍。如果每次都从内存读数据，CPU 大部分时间在等。

于是在 CPU 和内存之间加了多级缓存：

CPU 寄存器 → L1 → L2 → L3 → 内存 → 磁盘

二、各级缓存

层级	位置	容量	延迟	特点
寄存器	CPU 核内	<1KB	~0.3ns	最快，数量少
L1	核内	32-64KB	~1ns	分数据 L1d 和指令 L1i
L2	核内	256KB-1MB	~4ns	每核独占
L3	多核共享	8-64MB	~15ns	多核共享
内存	主板	GB	~80ns	所有核共享

三、缓存行（Cache Line）

缓存不是按字节拷贝，而是按缓存行（通常 64 字节）：

内存地址 0x100 ~ 0x13F 是一个缓存行

一个 Java long 是 8 字节，一个缓存行能存 8 个。所以即使你只读一个 long，相邻的 7 个 long 也被一起加载进来——这就是伪共享的根源。

四、缓存命中流程

1. CPU 访问地址。
2. 先查 L1，命中就返回。
3. 未命中查 L2，再查 L3。
4. 都未命中，从内存加载整个缓存行。

五、为什么和并发有关

多核 CPU 每个核有自己的 L1/L2，同一个变量可能同时存在于多个核的缓存里。这就引出了缓存一致性问题——MESI 协议要解决的就是这个。

高频考点

• 一个缓存行 64 字节。
• 伪共享：两个 volatile 变量如果在同一个缓存行，一个核改了另一个核也得刷新，性能下降。
• Java 8 用 @Contended 注解解决伪共享。