问题

cpu对于内存的读写会受制于内存延迟,处理逻辑更类似于web的阻塞模型还是异步模型?

回答
CPU 对内存的读写,确实会遇到一个叫做“内存延迟”的瓶颈。理解这个瓶颈,以及 CPU 如何应对它,就得深入看看它的工作原理,这和我们日常接触的很多技术,比如 Web 开发里的阻塞和异步模型,有着异曲同工之妙。

简单来说,CPU 就像一个非常勤奋、速度极快的工人,而内存则是它需要不断取放材料的仓库。这个工人能以惊人的速度处理信息,但每次去仓库取材料或者放材料的时候,都需要花费一点时间。这段时间,就是“内存延迟”。

CPU 和内存的关系:一个“慢”的仓库与一个“快”的工人

想象一下,CPU 就像一个需要不断翻阅大量书籍才能完成工作的学者。而内存,就是存放这些书籍的图书馆。学者(CPU)的大脑转得飞快,但每次需要查找某个信息时,都得起身去图书馆找书,翻阅、找到想要的那一页,然后再回到座位继续阅读。这个起身、找书、翻页的过程,就是内存延迟。

如果 CPU 必须等到内存中的数据完全加载进来才能继续下一步操作,那么这个过程就非常“阻塞”。就好像这位学者,每次都要等拿到整本书才能开始看,哪怕他只需要书里的一个句子。一旦书太多,或者找书的过程很慢,学者就会被迫停下来,效率大大降低。这就是我们常说的“阻塞模型”。

阻塞模型下的 CPU 访存:原地等待,效率堪忧

在纯粹的阻塞模型下,当 CPU 发出一个内存读取指令后,它就必须停下来,等待内存将数据发送过来。这段时间内,CPU 几乎是“闲置”的。它不能去处理其他任务,也不能进行任何计算,只能像一个被固定住的机器人一样,傻傻地等待。

这种模型的缺点很明显:

资源浪费: CPU 的计算能力是宝贵的,在等待内存时白白浪费了。
响应缓慢: 如果内存延迟很高,CPU 整体的运行速度就会受到严重拖累,整个系统的响应都会变慢。
简单粗暴: 这种模型实现起来最直接,但效率最低。

那么,CPU 真的这么傻吗?不,它其实很“聪明”,并且采用了“异步”的思维方式。

事实是,现代 CPU 在处理内存访问时,并不完全是那种“一问一答,问完立刻停下来等”的简单阻塞方式。它更像是在进行一种更加精明的“异步”操作。

这里的“异步”并不是指像 Web 开发中那种显式的回调函数或者 Promise,而是 CPU 本身设计中一种对延迟的“规避”和“隐藏”策略。

CPU 的“异步”访存策略:流水线与缓存

CPU 应对内存延迟的主要手段是利用其内部的流水线(Pipelining)和缓存(Caching)机制。

1. 流水线:并行处理,隐藏延迟

想象一下一条汽车生产线。汽车的制造过程被分解成多个步骤(冲压、焊接、喷漆等),每个工位负责一个步骤。当第一辆车到了第二个工位时,第一辆车可能已经完成了一个步骤,第二辆车可以开始第一个步骤了。这样,尽管每辆车完成整个过程都需要时间,但整个生产线在任何时刻都有多辆车在不同工位上被加工。

CPU 的流水线也是类似的。一个指令的执行可以被分解成多个阶段(如取指令、译码、执行、写回等)。当 CPU 发出内存读取指令后,它不会傻傻地等到数据回来才开始执行下一步。相反,它会把这个“等待内存”的周期看作是流水线中的一个“停顿”或“冒泡”。

在 CPU 等待内存数据返回的同时,它可以先将后续的指令送入流水线的前端进行译码,甚至开始执行一些不依赖于该内存数据的操作。一旦内存数据回来了,就可以快速填补到等待的指令阶段,继续正常的执行流程。

这就好比那位学者,在等待图书馆员找到书的时候,他可以先拿出包里的另一本书来阅读,或者思考一下刚才读过的段文,而不是枯坐在座位上发呆。

2. 缓存:提前备好,减少等待

CPU 的缓存(Cache)是另一项关键的“异步”体现。CPU 内部有几级高速缓存(L1, L2, L3),它们比主内存的速度快得多,容量也小得多。CPU 会主动将经常访问或即将可能访问的数据预先加载到缓存中。

当 CPU 需要某个数据时,它会先检查缓存。如果数据在缓存中(称为“缓存命中”),CPU 就能瞬间拿到,几乎没有延迟。这就如同学者家里就备着几本最常查阅的书,随时可以翻看。

只有当数据不在缓存中(称为“缓存未命中”)时,CPU 才需要去主内存去取。但即使在这种情况下,它也会尝试“预取”更多的数据到缓存中,希望下次访问时能命中。

缓存的工作方式,本质上是一种对未来行为的预测和预处理,目的是最大限度地减少 CPU 与慢速内存直接交互的次数和时间。这就像学者会提前猜到接下来可能要用的书,先借过来放在手边。

总结:CPU 的访存更接近于一种“隐藏延迟的异步”模型

所以,CPU 对内存的读写,其处理逻辑更倾向于一种“隐藏延迟的异步模型”,而不是纯粹的阻塞模型。

虽然 CPU 在发出读取指令后,确实需要等待数据,但它通过以下方式“异步”地处理了这个等待:

并行处理: 利用流水线技术,在等待数据期间,继续处理其他不相关的指令。
预取与缓存: 通过缓存机制,提前将数据准备好,或者在可能的情况下预取数据,从而大大降低了实际等待内存读取的频率和时间。

这种设计,就好比一个高明的项目经理,他知道某个任务需要等待外部供应商提供原材料(内存延迟),但他不会让整个团队都闲着,而是会安排其他成员去完成不需要这些原材料的任务,或者提前准备好下一个环节需要的东西。当原材料送达时,团队可以立即投入使用,整个项目的进展就不会因为等待原材料而完全停滞。

所以,与其说 CPU 的内存读写是阻塞的,不如说它是通过一系列精巧的设计,在“不得不等待”的情况下,尽可能地“不停止”,从而实现高效运行。它学会了在等待中做其他事情,并且尽量让等待本身变得不那么明显和影响整体效率。

网友意见

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简单点说,就是阻塞,CPU没有任何异步的机制获取cache刷新的通知。唯一的异步机制是做DMA的才有,但那是外设。

为啥不好测?也能测出来,搞乱cache刷新算法的方式有很多。只不过大部分情况下,代码只能做到L1/L2 cache miss,L1的延迟一般都在5个cycle以内,L2的延迟在10个cycle左右,到了L3也不过才几十个,而且要有足够大的内存才能让L3每次都miss,并且因为访问内存并不是每条指令都有。

网上有各种测缓存延迟的代码,本质上都是让cache不停的miss

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