Java 分析 — CPU Cache 与缓存行

如上述代码所示，定义了一个二维数组 long[][] arr 并且使用了横向遍历和纵向遍历两种顺序对这个二位数组进行遍历，遍历总次数相同，只不过循环的方向不同，代码中记录了这两种遍历方式的耗时，不妨先卖个关子，他们的耗时会有区别吗?

这问题问的和中小学试卷中的：“它们之间有区别吗?如有，请说出区别。”一样没有水准，没区别的话文章到这儿就结束了。事实上，在我的机器上(64 位 mac)多次运行后可以发现：横向遍历的耗时大约为 25 ms，纵向遍历的耗时大约为 60 ms，前者比后者快了 1 倍有余。如果你了解上述现象出现的原因，大概能猜到，今天这篇文章的主角便是他了— CPU Cache&Cache Line。

在学生生涯时，不断收到这样建议：《计算机网络》、《计算机组成原理》、《计算机操作系统》、《数据结构》四门课程是至关重要的，而在我这些年的工作经验中也不断地意识到前辈们如此建议的原因。作为一个 Java 程序员，你可以选择不去理解操作系统，组成原理(相比这二者，网络和数据结构跟日常工作联系得相对紧密)，这不会降低你的 KPI，但了解他们可以使你写出更加计算机友好(Mechanical Sympathy)的代码。

下面的章节将会出现不少操作系统相关的术语，我将逐个介绍他们，并最终将他们与 Java 联系在一起。

什么是 CPU 高速缓存?

CPU 是计算机的心脏，最终由它来执行所有运算和程序。主内存(RAM)是数据(包括代码行)存放的地方。这两者的定义大家应该不会陌生，那 CPU 高速缓存又是什么呢?

在计算机系统中，CPU高速缓存是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。

当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在(***)，则不经访问内存直接返回该数据;如果不存在(失效)，则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。

缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性(Locality)特征。这种局部性既包括空间局部性(Spatial Locality)，也包括时间局部性(Temporal Locality)。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的***率。

在处理器看来，缓存是一个透明部件。因此，程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是，确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化，从而更好地利用缓存。

（编辑：核心网）

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