万丈高楼，平地起。
计算机世界的信息化软件工程，是构筑于计算机硬件之上的。
由于信息的流转依托于计算机不同的部件，所以计算机系统的内部设计、各类应用架构无不受部件之间速度差异的影响。
本文，主要先介绍存储体系，再量化展示这种速度的差异，最后简单说一下对上层系统的影响。你就理解为什么用了缓存，会快~~
计算机存储体系
如图，从下到上，单位金钱获得的容量组件减少，但是响应的速度增大。
图：《深入理解计算机系统》
计算机各层次速度量化
存储体系代表了层级，是大的方向。具体落实到机器的速度，我们还要看具体指标和数值，以作参考。具体硬件的速度自然不是下表所示的值，所以最多算个示意，但内部的相对关系还是比较稳定的。
| 序号 | 存储英文名称 | 存储中文名称 | 容量 | 时间（纳秒） | 微秒 | 毫秒 | CPU时钟周期数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CPU寄存器 | CPU寄存器 | 几十~几百KB | 0.5 | 1 | ||
| 2 | L1 cache reference | 读取CPU一级缓存 | 几十~几百KB | 0.5 | 1 | ||
| 3 | Branch mispredict | (转移、分支预测) 比如:if | 5 | 10 | |||
| 4 | L2 cache reference | 读取CPU的二级缓存 | 几百KB~几MB | 7 | 14 | ||
| 5 | Mutex lock/unlock | 互斥锁\解锁 | 25 | 50 | |||
| 6 | Main memory reference | 内存引用（找到内存地址） | 几百MB~几GB | 100 | 0.1 | 200 | |
| 7 | Compress 1K bytes with Zippy | 使用Zippy压缩1K字节数据 | 3000 | 3 | 6000 | ||
| 8 | Send 1K bytes over 1 Gbps network | 在1Gbps的网络上发送1k字节 | 10,000 | 10 | 0.01 | 40000 | |
| 9 | Read 4K randomly from SSD | SSD磁盘随机读4k | 150,000 | 150 | 0.15 | 300,000 | |
| 10 | Read 1 MB sequentially from memory | 从内存顺序读取1MB | 250,000 | 250 | 0.25 | 500000 | |
| 11 | Round trip within same datacenter | 从一个数据中心往返一次，ping一下 | 500,000 | 500 | 0.5 | 1000,000 | |
| 12 | Disk seek | 磁盘搜索 | 几百GB~几TB | 10,000,000 | 10,000 | 1 | 20,000,000 |
| 13 | Read 1 MB sequentially from network | 从网络上顺序读取1兆的数据 | 10,000,000 | 10,000 | 1 | 20,000,000 | |
| 14 | Read 1 MB sequentially from SSD | 从SSD磁盘顺序读出1MB | 30,000,000 | 30,000 | 3 | 60,000,000 | |
| 15 | Send packet CA->Netherlands->CA | 一个包的一次远程访问 | 150,000,000 | 150,000 | 15 | 300,000,000 |
表引自（有大的修改）：https://gist.github.com/jboner/2841832
寄存器速度等于CPU时钟周期，表假设CPU的1次晶振频率0.5纳秒，对应CPU2.0GHz。
上表的主要价值在于：站在CPU时钟周期的角度来度量，各个部件之间的速度差距具体大到什么程度。
上表格，对机械磁盘的顺序读写及随机读写性能，以及SSD硬盘的顺序读写、随机读写性能，没有给出直观的数据。
业内，顺序读写性能使用容量/s来度量，随机读写性能使用IOPS（Input/Output Operations Per Second）度量。
例如SATA或M.2 SATA接口的顺序读写速度理论上可达600MB/s，而使用支持NVMe协议的M.2接口、走PCIE4.0×4通道的固态硬盘，其顺序读取速度可达7G/s。
下图是国产致态 TiPro7000固态硬盘的技术指标（存储国产已崛起）：
CPU内部寄存器速度和DRAM内存的速度差异来源
制造工艺和成本决定。CPU内部的寄存器使用的SRAM工艺，是6个晶体管电路原件组成的，不需要刷电，频率等同CPU时钟。而DRAM内存就没那么复杂的晶体管了，造价合适，需要定期刷电（刷新）维持存储数据，这里就消耗了大量时间，是性价比的妥协。具体可见DRAM和SRAM的区别
计算机存储结构速度差异对上层应用的影响
核心就一句话：运用时间和空间局部性原理，上一层级做下一层级的缓存。上一层没有，再去下一层拿。
所谓时间和空间局部性原理，意思就是最近使用和访问的地址及附近地址空间，大概率还会被使用。先留一份在这一层，下次再用的时候，就不用取了。
可参考：缓存技术原理
下面说几个大家可能都知道缓存场景。
客户端访问服务器，网络io的耗时是很慢的，提速有什么方案？直接把数据存在用户本地一份。背后原理是什么？读取本地磁盘耗时，比网络耗时短。
为什么很多高并发场景要加redis缓存，大家都知道redis在内存里，很快。但是有多快？上表访存200 比60,000,000，当然这里面一个是寻址，一个是读1M，没可比性。内存通常的传输速率是以G/s为单位的，比如DDR4内存读写速度大概50G每秒（50000M），固态硬盘读肯定走的是随机读，按致钛最低速度来550000 * 4k / 1024 = 2148M/s，速度差距的数量级在20倍附近，这只是理论值，实际当中有偏差，而且也不可能每一个读取单元都是4k，所以基本可以估计是10-100这个量级的速度差。
再一个CPU内部的L1 2 3级缓存的作用。
再来一个，mysql的主从复制为什么能支持实际的场景，无他，顺序读，顺序写，秒级量完全够来自网卡的流量。
又比如，磁盘内部，也存在缓存这一硬件，目的就是增强磁盘的吞吐。
