【计算机】主流的CPU架构

一个CPU处理器中一般有多个运行核心，我们把一个运行核心称为一个物理核，每个物理核都可以运行应用程序。
每个物理核都拥有私有的一级缓存（Level 1 cache，简称L1 cache），包括一级指令缓存和一级数据缓存，以及私有的二级缓存（Level 2 cache，简称L2 cache）。

这里提到了一个概念，就是物理核的私有缓存。它其实是指缓存空间只能被当前的这个物理核使用，其他的物理核无法对这个核的缓存空间进行数据存取。

我们来看一下CPU物理核的架构。

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因为L1和L2缓存是每个物理核私有的，所以，当数据或指令保存在L1、L2缓存时，物理核访问它们的延迟不超过10纳秒，速度非常快。那么，如果Redis把要运行的指令或存取的数据保存在L1和L2缓存的话，就能高速地访问这些指令和数据。

但是，这些L1和L2缓存的大小受限于处理器的制造技术，一般只有KB级别，存不下太多的数据。如果L1、L2缓存中没有所需的数据，应用程序就需要访问内存来获取数据。而应用程序的访存延迟一般在百纳秒级别，是访问L1、L2缓存的延迟的近10倍，不可避免地会对性能造成影响。

所以，不同的物理核还会共享一个共同的三级缓存（Level 3 cache，简称为L3 cache）。L3缓存能够使用的存储资源比较多，所以一般比较大，能达到几MB到几十MB，这就能让应用程序缓存更多的数据。当L1、L2缓存中没有数据缓存时，可以访问L3，尽可能避免访问内存。

另外，现在主流的CPU处理器中，每个物理核通常都会运行两个超线程，也叫作逻辑核。同一个物理核的逻辑核会共享使用L1、L2缓存。

为了方便你理解，我用一张图展示一下物理核和逻辑核，以及一级、二级缓存的关系。

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在主流的服务器上，一个CPU处理器会有10到20多个物理核。同时，为了提升服务器的处理能力，服务器上通常还会有多个CPU处理器（也称为多CPU Socket），每个处理器有自己的物理核（包括L1、L2缓存），L3缓存，以及连接的内存，同时，不同处理器间通过总线连接。

下图显示的就是多CPU Socket的架构，图中有两个Socket，每个Socket有两个物理核。

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在多CPU架构上，应用程序可以在不同的处理器上运行。
如在刚才的图中，Redis可以先在Socket 1上运行一段时间，然后再被调度到Socket 2上运行。

但是，有个地方需要你注意一下：如果应用程序先在一个Socket上运行，并且把数据保存到了内存，然后被调度到另一个Socket上运行，此时，应用程序再进行内存访问时，就需要访问之前Socket上连接的内存，这种访问属于远端内存访问。和访问Socket直接连接的内存相比，远端内存访问会增加应用程序的延迟。

在多CPU架构下，一个应用程序访问所在Socket的本地内存和访问远端内存的延迟并不一致，所以，我们也把这个架构称为非统一内存访问架构（Non-Uniform Memory Access，NUMA架构）。

到这里，我们就知道了主流的CPU多核架构和多CPU架构，我们来简单总结下CPU架构对应用程序运行的影响。

• L1、L2缓存中的指令和数据的访问速度很快，所以，充分利用L1、L2缓存，可以有效缩短应用程序的执行时间；
• 在NUMA架构下，如果应用程序从一个Socket上调度到另一个Socket上，就可能会出现远端内存访问的情况，这会直接增加应用程序的执行时间。

$ lscpu
Architecture:            x86_64
  CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
  Address sizes:         42 bits physical, 48 bits virtual
  Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                  8
  On-line CPU(s) list:   0-7
Vendor ID:               GenuineIntel
  Model name:            Intel(R) Xeon(R) Gold 6278C CPU @ 2.60GHz
    CPU family:          6
    Model:               85
    Thread(s) per core:  2
    Core(s) per socket:  4
    Socket(s):           1
    Stepping:            7
    BogoMIPS:            5200.00
    Flags:               fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl xtopology nonstop_tsc cpuid tsc_known_freq pni pclmu
                         lqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single ssbd ibrs ibpb stibp ibrs_enhanced fsgsbase tsc_adjust b
                         mi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm mpx avx512f avx512dq rdseed adx smap clflushopt clwb avx512cd avx512bw avx512vl xsaveopt xsavec xgetbv1 arat avx512_vnni md_clear flush_l1d arch_capabilities
Virtualization features:
  Hypervisor vendor:     KVM
  Virtualization type:   full
Caches (sum of all):
  L1d:                   128 KiB (4 instances)
  L1i:                   128 KiB (4 instances)
  L2:                    4 MiB (4 instances)
  L3:                    35.8 MiB (1 instance)
NUMA:
  NUMA node(s):          1
  NUMA node0 CPU(s):     0-7
Vulnerabilities:
  Itlb multihit:         KVM: Mitigation: VMX unsupported
  L1tf:                  Not affected
  Mds:                   Not affected
  Meltdown:              Not affected
  Spec store bypass:     Mitigation; Speculative Store Bypass disabled via prctl and seccomp
  Spectre v1:            Mitigation; usercopy/swapgs barriers and __user pointer sanitization
  Spectre v2:            Mitigation; Enhanced IBRS, IBPB conditional, RSB filling
  Srbds:                 Not affected
  Tsx async abort:       Vulnerable: Clear CPU buffers attempted, no microcode; SMT Host state unknown

该输出提供了有关Linux系统上的CPU架构和配置的详细信息，包括：

- Architecture: x86_64：系统架构是x86_64，这意味着它是64位系统。
- CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit：处理器支持32位和64位操作模式。
- Address sizes: 42 bits physical, 48 bits virtual：物理地址大小是42位，虚拟地址大小是48位。
- Byte Order: Little Endian：系统的字节顺序是小端序。
- CPU(s): 8：系统有8个CPU核心可用。
- On-line CPU(s) list: 0-7：所有8个CPU核心都在线并可用。
- Vendor ID: GenuineIntel：CPU制造商是英特尔。
- Model name: Intel(R) Xeon(R) Gold 6278C CPU @ 2.60GHz：CPU型号是Intel Xeon Gold 6278C，时钟频率是2.60GHz。
- CPU family: 6：CPU家族是6。
- Model: 85：CPU型号是85。
- Thread(s) per core: 2：每个CPU核心支持2个线程。
- Core(s) per socket: 4：每个CPU插槽支持4个核心。
- Socket(s): 1：系统只有一个CPU插槽。
- Stepping: 7：CPU步进是7。
- BogoMIPS: 5200.00：BogoMIPS是一个基准测试指标，该系统的BogoMIPS值为5200.00。
- Flags: 系统支持的CPU特性和指令集，包括FPU、SSE、AVX等。
- Virtualization features: 系统支持的虚拟化特性，包括Hypervisor vendor和Virtualization type。
- Caches: 系统的缓存配置，包括L1d、L1i、L2、L3缓存的大小和实例数。
- NUMA: 系统的NUMA配置，包括NUMA节点数和每个节点的CPU核心范围。
- Vulnerabilities: 系统的漏洞和安全性特性，包括Itlb multihit、L1tf、Mds、Meltdown、Spec store bypass、Spectre v1、Spectre v2、Srbds和Tsx async abort。输出还提供了有关如何缓解这些漏洞的信息。