计算机的存储体系与性能金字塔

在前文我们介绍了计算机的体系结构，知道计算机的存储分为内存和硬盘两大类。其中内存属于非持久化的存储设备，用于临时存储数据，设备掉电后数据会丢失；硬盘属于持久化的存储设备，设备掉电后数据不会丢失。

实际上在计算机领域存储的种类是非常多的，业界有时候将存储分为内部存储和外部存储两类。其中内部存储通常是只在设备主板上的存储设备，如个人电脑中的存储BIOS存储和内存；外部存储通常需要某种协议与主板相连的存储设备，如机械硬盘、SSD硬盘和光盘等。如图1是一个简单的存储设备分类图。

图1 计算存储体系

在图1需要说明的是ROM是一种只读存储设备，他是Read Only Memory（只读存储器）的缩写。RAM是一种支持随机读写的存储设备，他是Random Access Memory的缩写。

RAM又可以细分为很多种，常见的两大类如SRAM和DRAM。其中SRAM是Static Dynamic Random Access Memory（静态随机访问存储器）的缩写，也就是静态RAM；DRAM是Dynamic Random Access Memory（动态随机访问存储器）的缩写，也就是动态RAM，其实就是我们常说的内存。

知道DRAM就是我们常说的内存，那么SRAM是用在什么地方呢？SRAM通常是用在CPU的缓存当中的。我们知道现在的CPU通常由L1（Level 1的缩写），L2和L3三级缓存，其中这些缓存大多是采用SRAM实现的。另外需要知道的一个事实是SRAM的速度要比DRAM快的多。    

图2大致描述了CPU各级缓存与内存的关系。由该图可以看出从容量上L1缓存比L2缓存小，L2缓存比L3缓存小。从速度上，L1缓存比L2缓存快，L2缓存比L3缓存快。当然，相对于内存，内存的容量要比缓存大的多，速度也慢的多。

图2 CPU各级缓存与内存的关系

L1缓存通常可以达到1150GB/s的速度，但是通常L1缓存的容量不过几百KB。L2缓存的速度可以达到470GB/s，容量不过几个MB。L3缓存的速度大概能到200GB/s，容量可以达到几十MB。

内存位于CPU的外部，其最大速度可以到几十GB，容量比缓存要大得多，可以达到TB级别。但是内存除了带宽比缓存低之外，其访问延时要比缓存高的多。关于内存的更多细节我们会在内存相关章节介绍，本节暂不详述。

外部存储包含硬盘、光盘和磁带等存储设备，其速度就更慢了。以NVMe协议的SSD为例，其带宽最大不会超过10GB/s，而机械硬盘的带宽也才100MB/s多一点。

前面我们从带宽的角度介绍了一下各种内部存储和外部存储的性能。从访问延时角度，各种不同的存储也是有着巨大的差异的。如图1‑26所示，我们展示了常见存储的访问延时数据。其中CPU缓存的延时在1到10纳秒之间，不同级别的缓存访问延时不同，级别一的缓存访问延时大概是1纳秒，而级别二缓存的访问延时大概是4纳秒。    

虽然内存的访问要比硬盘等外围设备快的多，但相对缓存来说，内存的访问延时一般要100纳秒左右。如果将缓存的速度类比火箭的速度，那么内存的速度也就跟普通客机差不多，连战斗机的速度都达不到。

固态硬盘的速度又要比内存慢好几个数量级，其访问延时大概要16微妙。如果与生活中的交通工具类比，基本跟我们现在绿皮火车的速度差不多。是的，是绿皮火车，不是特快，更不是动车。机械硬盘就更慢了，访问延迟在毫秒级，基本上跟马车的速度差不多。你可能不知道马车有多慢，基本比年轻人散步的速度快不了多少。

图3 计算机存储性能金字塔

磁带的速度就更慢了，由于磁带不能随机访问，数据定位需要不断的倒带，延时通常在10秒级别。所以，现在几乎没有企业直接用磁带存储数据，大多是用磁带来备份非常冷的数据。

无论是存储研发人员，还是普通的开发人员，了解存储设备的性能金字塔是非常必要的。以CPU缓存为例，如果我们在开发高并发的应用时没有考虑缓存同步和CPU内核多核并发访问的问题，程序的性能可能会比较差。

在存储相关软件领域，通常使用比较快的介质作为慢介质的缓存。比如我们通常采用内存作为文件系统元数据和数据的缓存。这样当用户访问数据的时候，可以减少对硬盘的访问，从而提高文件系统的整体性能。

一些企业级存储系统不仅仅使用内存作为缓存来存储元数据和数据，还将数据存储设计成分层架构，也就是采用SSD和机械硬盘混合架构。通过这种分层架构，存储系统可以为用户提供更高的性能，而价格上却并不会增加太多。    

本节我们介绍了主流存储介质的带宽和延迟等特性，并通过性能金字塔介绍了存储介质间的性能差异。大家可以暂时了解到这种程度，我们后面章节会详细介绍其应用相关的内容。