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我们都知道机械硬盘的速度很慢，内存的速度很快，那么不同存储器之间的差距到底有多大呢？
我们先来看一幅图：
CPU访问寄存器的时间是0.3纳秒，访问L1高速缓存的时间是1纳秒，访问L2高速缓存的时间是4纳秒…
秒、毫秒、微妙、纳秒的计算公式如下：
1s（秒） = 1000 ms（毫秒） = 1000 000 μs（微秒） = 1000 000 000 ns（纳秒）
我们单单这样看可能没什么感觉，我把上面的参数都摘录下来，为了更直观的比较，我把0.3纳秒放大成1秒，其他数据同比例放大，对比一下：
| 类型 | 容量 | 访问时间 | 相对时间 |
|---|---|---|---|
| 寄存器 | 1k | 0.3ns | 1秒 |
| L1高速缓存 | 32K | 1ns | 3秒 |
| L2高速缓存 | 256k | 4ns | 12秒 |
| L3高速缓存 | 8M | 40ns | 2分钟 |
| 内存 | 16G | 100ns | 5分钟 |
| 固态硬盘 | 1T | 100μs | 3.5天 |
| 机械硬盘 | 1T | 10ms | 1年 |
| 网络（北京到上海） | - | 30ms | 3年 |
在各种存储器操作的耗时被量化之后，我们就有了很直观的感觉。
下面我们切换到人类的视觉来比较一下：
CPU访问寄存器和高速缓存，基本都是几秒钟，最多两分钟就够了，如果访问内存的话需要5分钟，这都算比较快的速度了。
如果CPU要访问硬盘就很慢了，CUP访问固体硬盘（SSD）需要3.5天时间，如果访问机械硬盘，就需要1年的时间。
最慢的是网络，从北京到上海需要3年，如果距离再远点，那就更慢了…
这和我们的体感就对应上了，平时我们打开一个文件的时候感觉很慢，就是因为在读机械硬盘（固态硬盘就快多了），最慢的是打开网页，半天才刷出来。
你可能会问：既然高速缓存那么快，那我们把所有的存储器都换成高速缓存不就行了吗？
答案是不行，有以下几个原因：
- 成本： 高速缓存是一种非常昂贵的存储器，其制造成本远高于其他存储器类型，所以将所有存储器都设计成高速缓存会显著增加整个系统的成本。
- 容量： 高速缓存的容量通常较小，如果把所有的存储器都换成高速缓存，就存不下这么多数据了。
- 特性： 也是最重要的一点，高速缓存是一种易失性存储器，存储的内容在断电时会丢失，如果要长期保存数据，还是要保存到硬盘中。
存储器的层次关系是这样的：
（图片来源：https://xiaolincoding.com/os/1_hardware/storage.html#cpu-cache）
存储器层次结构是为了在性能、容量和成本之间取得平衡，存储容量越大，速度就越慢，成本也就越低，价格就越便宜。