計算機內存基礎硬核知識
我們都知道，計算機是處理數據的設備，而數據的主要存儲位置就是磁盤和內存，并且對于程序員來講，CPU 和內存是我們必須了解的兩個物理結構，它是你通向高階程序員很重要的橋梁，下面就讓小編帶你去看看計算機內存基礎硬核知識，希望能幫助到大家!
電腦基礎知識，新手入門最全電腦知識干貨
一、電腦軟硬件基礎知識
1、CPU型號怎么看?
CPU是一臺電腦的核心，而目前筆記本市場基本被Intel(英特爾)的CPU壟斷。而Intel的CPU型號命名還算比較有規(guī)律。
以i7-6920HQ為例：
四位數的頭一個數字是6指的是代際，也就是是英特爾第六代處理器。目前英特爾在市面上是4、5、6三代處理器并存。老于4代的處理器現在比較少見，一般也不推薦。
920是它的SKU值，可以理解為是一個編號。用來區(qū)分不同性能的CPU型號。
數字后面緊跟著的字母是H，代表的是處理器的功耗/性能類別。類似的有U(超低功耗15W)、M(僅出現在5代以前)、H(高性能35W/45W)。需要注意的是：功耗大不僅意味著更大的耗電量，也表示CPU的發(fā)熱量越大。進而對筆記本的散熱系統(tǒng)有更高的要求。所以主打高性能的筆記本(比如游戲本)，幾乎沒有輕薄、長續(xù)航的。
最后一個產品線后綴，有Q(四核處理器)、K(開放超頻)兩種情況。而雙核、不可超頻的處理器沒有這個后綴，也是最常見的。
什么?看完了還是不懂怎么選?簡單來說，如果你在乎功耗(省電)的話，代際越新越省電。比如6代比4代更省電。而在同一代中，U比H省電，而H又比HQ/HK省電。
2、關于電腦性能
如果你想了解性能的話，這就有些麻煩了。
諸如i7>i5>i3這樣的說法，基本不靠譜。因為這種說法僅僅在同一代處理器，同一功耗級別下才成立。如果跨代、跨系列地比較，就會出現諸如i5-6300HQ性能強于i7-6600U、i3-6100H和i7-4610Y性能差不多，這樣不太好理解的情況。所以光看型號判斷性能真的是不太靠譜。為了方便起見，我推薦一個方便(但并非完全嚴謹)的方法給大家：查Passmark評分
關于DDR4內存條選購的小知識
刻意追求內存頻率意義不大，因為決定內存性能的重要指標還有內存時序(時序本身也可以體現出內存顆粒的品質如何)。市面上很多DDR4-2666內存的報價甚至還低于當前DDR4-2400，原因就是這些所謂的DDR4-2666內存的時序普遍很難看(偏高/一般都是CL19)，眾所周知，時序越高性能越差。目前主流內存頻率為2400MHz~3200MHz，實際上2133也一樣能用，而且最便宜。
再有就是目前英特爾平臺只有Z系列、__系列芯片組可以使用超過2666/2933頻率的內存，其他芯片組如B360/B365/B460無法突破這一限制，上高頻內存會降頻運行，具體限制情況請參照表格說明。用B360主板搭配3000MHz甚至3200MHz以上的高頻內存意義不大，最終還是降頻到2400/2666運行。B460主板搭配i7/i9處理器時，可以考慮3000頻率的內存。
AMD芯片組雖然基本都不會限制運行頻率，都可以超頻支持高頻內存，但是AMD處理器本身不爭氣，內存兼容性問題比較普遍，搭配高頻內存極易翻車。AMD的三代銳龍對高頻內存支持的友好性大幅提升，這樣一來或許會帶動3000~3600MHz區(qū)間高頻內存的銷量大幅上漲。一代、二代銳龍(包括APU)建議搭配3000MHz以下的內存。
從表格可以看出英特爾平臺主板除了Z系列的都是不支持超頻的，但是也要注意雖然主板支持最高頻率可能是2666、2933，但是也要看具體CPU支持的頻率。
AMD平臺理論上是沒有具體限制的，但是要看主板的內存供電和CPU對內存頻率的兼容;一代銳龍普遍兼容性比較差，一般上2666就可以了，供電比較好的主板可以上2933;二代銳龍兼容性有提升，一般上2933就可以了，供電比較好的主板可以上3200-3433，三代銳龍兼容性大大提升，市面上的正規(guī)內存都是基本可以是用的，因為三代銳龍內存頻率影響cpu性能一般建議上3600頻率的就可以了，因為除了__399/TR__40平臺的其他三代銳龍內存控制器它最高支持3600頻率，運氣好的能達到3800，在往上面的頻率性能只會倒退。
從上面表格可以看出英特爾九代CPU及之前到6代買2666頻率的內存條就可以了，這里為什么沒有說i3之前的只支持到2400，因為現在市面上的內存條基本2400和2666價格差不多，很多都是同價格，所以上2666的就可以了，以后升級CPU了還能小小提升一下性能還不用換內存條;
十代英特爾就比較坑了，i5之前都最高只支持到2666頻率的，所以裝機的如果不考慮以后升級cpu的就可以直接買2666的就可以了，如果考慮以后升級的可以直接買3000頻率的內存條，i7、i9可以直接運行在2933頻率上。
內存容量
① 品牌方面，你自己信賴啥就選啥，不用考慮很多，內存很難壞，品牌內存均為終身質保，一小部分牌子才會保修3~5年;
② 部分主板與部分內存可能會有兼容性問題，遇到這類情況建議通過升級BIOS來進行解決，或嘗試更換合適的內存。
★ 4GB(2010~2014年流行)：當前來看只能滿足基本的上網、看視頻、聊天、入門游戲及輕度辦公需求;(都2020年了就不太推薦了)
★ 8GB(當前主流)：當前可以滿足入門設計、多任務辦公、大型單機普通愛好者;
★ 16GB(當前~未來5年主流)：當前可以滿足主流設計、渲染、大型單機愛好者;(只要是玩稍微大型一點的游戲都建議上16G內存，8G__2形成雙通道，17年吃雞游戲大火，這游戲就很吃內存)
★ 32GB或更高(2025~2030年)：當前主要是高預算或特殊高需求群體會安裝如此多的的內存。(一小部分游戲也吃高內存比如：逃離塔科夫，當然最近3000系顯卡出了，高端用戶4K144hz運行的話也建議上32G內存，當然一般買這配置的了一般都會上也不需要小編說(貧窮的小編))
常見問題
【Q】如何組雙通道內存?組雙通道內存有什么要求?
【A】組雙通道內存只需接口相同，能同時被系統(tǒng)點亮識別即可，不用在意容量或者頻率。兩根不同頻率的內存條是可以一起使用的，使用的過程中，高頻率的內存條會自動降頻到低頻的內存條的頻率來使用的。參數不同的兩根(或4根)內存組的雙通道叫做“彈性雙通道”。這里還需要注意，一般只有2根內存插槽的主板組雙通道時，只要插滿自然就是雙通道了，如果是4根插槽的板子，插兩根時，必須插1、3位置或者2、4位置(也就是間隔一個空位/以靠近CPU的第一根插槽位為1)才可以組成雙通道，但一定是優(yōu)先插2、4位，其次才是1、3位。
__系列主板和TR系列主板是支持4通道的所以可以按照主板說明書插對應內存條以達到最大性能，避免性能浪費，比如你想買16G的內存條就買8__2的形成雙通道，如果是四通道的話買4__4的，不過一般都是最低上32G的所以是8__4。
你不知道的內存知識
一、CPU與內存
先鋪墊幾個概念，以免后面混亂：
Socket或Processor: 指一個物理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CPU核心，每個Core都是完全獨立的計算單元，我們平時說的4核心CPU，指的就是Processor里面封裝了4個Core。
HT超線程：目前Intel與AMD的Processor大多支持在一個Core里并行執(zhí)行兩個線程，此時從操作系統(tǒng)看就相當于兩個邏輯CPU(Logical Processor)。大多數情況下，我們程序里提到的CPU概念就是指的這個Logical Processor。
咱們先來看幾個問題：
1、CPU可以直接操作內存嗎?
可能一大部分老鐵肯定會說：肯定的啊，不能操作內存怎么讀取數據呢。
其實如果我們用這聰明的大腦想一想，咱們的臺式主機大家肯定都玩過。上面CPU和內存條是兩個完全獨立的硬件啊，而且CPU也沒有任何直接插槽用于掛載內存條的。
也就是說，CPU和內存條是物理隔離的，CPU并不能直接的訪問內存條，而是需要借助主板上的其他硬件間接的來實現訪問。
2、CPU的運算速度和內存條的訪問速度差距有多大?
呵呵呵，這么說吧，就是一個鴻溝啊，CPU的運算速度與內存訪問速度之間的差距是100倍。
而由于CPU與內存之間的速度差存在N個數量級的巨大鴻溝，于是CPU最親密的小伙伴Cache 閃亮登場了。與DRAM 家族的內存(Memory)不同，Cache來自SRAM家族。
而DRAM與SRAM的最簡單區(qū)別就是后者特別快，容量特別小，電路結構非常復雜，造價特別高。
而Cache與主內存之間的巨大性能差距主要還是工作原理與結構不同：
DRAM存儲一位數據只需要一個電容加一個晶體管，SRAM則需要6個晶體管。
由于DRAM的數據其實是被保存在電容里的，所以每次讀寫過程中的充放電環(huán)節(jié)也導致了DRAM讀寫數據有一個延時的問題，這個延時通常為十幾到幾十ns。
內存可以被看作一個二維數組，每個存儲單元都有其行地址和列地址。
由于SRAM的容量很小，所以存儲單元的地址(行與列)比較短，可以被一次性傳輸到SRAM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以后才開始接近CPU的頻率。
3、Cache 是怎么使用的?
其實Cache 是被集成到CPU內部的一個存儲單元(平時也被我們稱為高速緩存)，由于其造價昂貴，并且存儲容量遠遠不能滿足CPU大量、高速存取的需求。
所以出于對成本的控制，在現實中往往采用金字塔形的多級Cache體系來實現最佳緩存效果。
于是出現了，一級Cache(L1 Cache)、二級Cache(L2 Cache)及三級Cache(L3 Cache)。每一級都犧牲了部分性能指標來換取更大的容量，目的也是存儲更多的熱點數據。
以Intel家族Intel SandyBridge架構的CPU為例：
L1 Cache容量為64KB，訪問速度為1ns左右
L2Cache容量擴大4倍，達到256KB，訪問速度則降低到3ns左右
L3 Cache的容量則擴大512倍，達到32MB，訪問速度也下降到12ns左右(也比訪問主存的105ns(40ns+65ns)快一個數量級)
L3 Cache是被一個Socket上的所有CPU Core共享的，其實最早的L3 Cache被應用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當時的L3 Cache受限于制造工藝，并沒有被集成到CPU內部，而是被集成在主板上，如圖：
從上圖我們也能看出來，CPU如果要訪問內存中的數據，則需要經過L1、L2、L3三道關卡，就是這三個Cache中都沒有需要的數據，才會從主內存中直接進行讀取。
最后我們來看下Intel Sandy Bridge CPU的架構圖：
二、多核CPU與內存共享的問題
問題：Cache一致性問題
多核CPU共享內存的問題也被稱為Cache一致性問題。
其實就是多個CPU核心看到的Cache數據應該是一致的，在某個數據被某個CPU寫入自己的Cache(L1 Cache)以后，其他CPU都應該能看到相同的Cache數據。
如果在自己的Cache中有舊數據，則拋棄舊數據。
考慮到每個CPU都有自己內部獨占的Cache，所以這個問題與分布式Cache保持同步的問題是同一類問題
目前業(yè)界公認的解決一致性問題的最佳方案就是Intel 的MESI協(xié)議了，大多數SMP架構都采用了這一方案。
解決方案：MESI
不知道大家還記得Cache Line 嗎，就是我們常說的高速緩存中緩存條目里面的那個緩存行。
其實仔細想想，在進行I/O操作從來不以字節(jié)為單位，而是以塊為單位，有兩個原因：
I/O 操作比較慢，所以讀一個字節(jié)與讀連續(xù)N個字節(jié)的花費時間基本相同
數據訪問一般都具有空間連續(xù)的特征
所以CPU針對Memory的讀寫也采用了類似于I/O塊的方式
實際上，CPU Cache(高速緩存)里最小的存儲單元就是Cache line(緩存行)，Intel CPU 的一個Cache Line存儲64個字節(jié)。
每一級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Cache從Memory中加載數據時，一次加載一條Cache Line的數據
如圖我們可以看到，每個Cache Line 頭部都有兩個Bit來標識自身狀態(tài)，總共四種：
M(Modified)：修改狀態(tài)，在其他CPU上沒有數據的副本，并且在本CPU上被修改過，與存儲器中的數據不一致，最終必然會引發(fā)系統(tǒng)總線的寫指令，將Cache Line中的數據寫回Memory中。
E(E__clusive)：獨占狀態(tài)，表示當前Cache Line中的數據與Memory中的數據一致，此外，在其他CPU上沒有數據的副本。
S(Shared)：共享狀態(tài)，表示Cache Line中的數據與Memory中的數據一致，而且當前CPU至少在其他某個CPU中有副本。
I(Invalid)：無效狀態(tài)，在當前Cache Line中沒有有效數據或者該Cache Line數據已經失效，不能再用;當Cache要加載新數據時，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Cache(高速緩存)的讀寫操作引發(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)機模型。
但MESI的復雜和獨特之處在于狀態(tài)有兩種視角：
一種是當前讀寫操作(Local Read/Write)所在CPU看到的自身的Cache Line狀態(tài)及其他CPU上對應的Cache Line狀態(tài)
另一種是一個CPU上的Cache Line狀態(tài)的變遷會導致其他CPU上對應的Cache Line狀態(tài)變遷。
如下所示為MESI協(xié)議的狀態(tài)轉換圖：
具體MESI的實現過程可以看我另一篇文章：看懂這篇，才能說了解并發(fā)底層技術
深入理解不一致性內存
MESI協(xié)議解決了多核CPU下的Cache一致性問題，因而成為SMP架構的唯一選擇，而SMP架構近幾年迅速在PC領域(__86)發(fā)展。
SMP架構是一種平行的架構，所有CPU Core都被連接到一個內存總線上，它們平等訪問內存，同時整個內存是統(tǒng)一結構、統(tǒng)一尋址的。
如下所示給出了SMP架構的示意圖：
隨著CPU核心數量的不斷增加，SMP架構也暴露出天生的短板，其根本瓶頸是共享內存總線的帶寬無法滿足CPU數量的增加，同時，在一條“馬路”上通行的“車”多了，難免會陷入“擁堵模式”。
不知道你是否聽說過總線風暴，可以看下：總線風暴
在這種情況下，分布式解決方案應運而生，系統(tǒng)的內存與CPU進行分割并捆綁在一起，形成多個獨立的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)之間高速互聯(lián)，這就是NUMA(None Uniform Memory Architecture)架構，如下圖所示。
可以看出，NUMA架構中的內存被分割為獨立的幾塊，被不同CPU私有化了。
因此在CPU訪問自家內存的時候會非?？?，在訪問其他CPU控制的內存數據時，則需要通過內部互聯(lián)通道訪問。
NUMA架構的優(yōu)點就是其伸縮性，就算擴展到幾百個CPU也不會導致性嚴重的下降。
NUMA技術的特點
在NUMA架構中引入了一個重要的新名詞——Node
一個Node由一個或者多個Socket Socket組成，即物理上的一個或多個CPU芯片組成一個邏輯上的Node
我們來看一個Dell PowerEdge系列服務器的NUMA的架構圖：
從上圖可以看出其特點：
4個處理器形成4個獨立的NUMA Node由于每個Node都為8 Core，支持雙線程
每個Node里的Logic CPU數量都為16個，占每個Node分配系統(tǒng)總內存的1/4
每個Node之間都通過Intel QPI(QuickPath Interconnect)技術形成了點到點的全互聯(lián)處理器系統(tǒng)
NUMA這種基于點到點的全互聯(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。
在這種情況下無法通過嗅探總線的方式來實現Cache一致性，因此為了實現NUMA架構下的Cache一致性，Intel引入了MESI協(xié)議的一個擴展協(xié)議——MESIF
針對NUMA的支持
NUMA架構打破了傳統(tǒng)的“全局內存”概念，目前還沒有任意一種編程語言從內存模型上支持它，當前也很難開發(fā)適應NUMA的軟件。
Java在支持NUMA的系統(tǒng)里，可以開啟基于NUMA的內存分配方案，使得當前線程所需的內存從對應的Node上分配，從而大大加快對象的創(chuàng)建過程
在大數據領域，NUMA系統(tǒng)正發(fā)揮著越來越強大的作用，SAP的高端大數據系統(tǒng)HANA被SGI在其UV NUMA Systems上實現了良好的水平擴展
在云計算與虛擬化方面，OpenStack與VMware已經支持基于NUMA技術的虛機分配能力，使得不同的虛機運行在不同的Core上，同時虛機的內存不會跨越多個NUMA Node
計算機內存基礎硬核知識相關文章：
★ 電腦硬件硬核知識
★ 內存硬核選購知識