原来计算机1秒钟能干这么多事儿！

我们平时在开发的时候，凡涉及到时间的场景，一般就是在做性能测试和优化的时候了。

比如说一个互联网系统，在性能方面会要求接口的平均响应时间为1秒以内，或者几百毫秒。在软件项目中，最小的时间单位可能也就是毫秒了。

反正我是没碰到过有人说毫秒以下的单位了。比如某个开发说，我把这个接口的响应时间减少了10纳秒。那我们会想，这莫不是个傻子吧。

但是，在计算机中（主要指硬件层面），1秒钟能干的事儿简直太多了。

计算机的主要组成

计算机的组成当然是很复杂的了，这里只说核心部件抽象出来的最简化的一个结构，如下图所示，主要就是这几块儿构成：

输入、输出设备

这就不用多说了，就是什么键盘、鼠标、显示器之类的。

主存储器DRAM

也就是我们平常说说的内存，也就是内存条的那个内存，比如我的电脑是 16G内存，也就是DRAM有16个G。

中央处理器（CPU）

毋庸置疑，这是计算机的灵魂所在，计算机之说以叫计算机，是因为它主要就是为了完成运算任务的，而CPU就是干这个的。

CPU 又包括比较核心的控制器、运算器和高速缓存。

主存和高速缓存的关系

主存，也就是前面说的 DRAM 。DRAM 是一种内存类型，用于存储程序和数据，是计算机系统中的主要存储器件。而高速缓存是一种临时存储器，用于存储 CPU 访问频繁的数据和指令，以提高数据访问速度。比如我运行IDEA要占去好几个G的内存，数据是存在DRAM中的，高速缓存可没有这么大空间。

另外，高速缓存的访问速度比 DRAM 快得多，CPU 的高速缓存是距离 CPU 最近的存储器，速度比内存（包括DRAM）快很多，可以与 CPU 同步工作。而DRAM的访问速度相对较慢，通常比高速缓存慢几个数量级。

高速缓存又分为L1、L2、L3四个级。L1 缓存是最接近 CPU 核心的一级缓存，速度最快，容量较小；L2 缓存位于 L1 缓存和主内存之间，速度比 L1 缓存慢一些，容量较大一些；L3 缓存是最靠近主内存的一级缓存，速度比 L1 和 L2 缓存都要慢一些，容量最大。

整个计算机有一个存储器层级结构划分，如下图所示。L0 也就是CPU运算器中的寄存器，从上到下速度越来越慢，但是容量越来越大。

时钟周期

终于开始点题了， 计算机1秒能干多少事儿，这里的事儿反应到CPU上就是一个个的指令。比如最简单的指令包括读写寄存器、访问高速缓存、加减运算等等。

最简单的原子指令可以在一个很短的时间段内完成，这个时间段有一个特别的名称，叫做时钟周期。

我们查看电脑配置的时候有一个指标是 XXX MHz（赫兹），比如我的电脑是 2667 MHz，也就是 2.6GHz，这个指标叫做时钟频率。

时钟频率是指计算机中央处理器CPU的工作频率，表示每秒钟CPU内核工作的次数。时钟频率越高，CPU的工作速度越快。

每个时钟周期，CPU可以执行一条指令。所以说，我这台电脑 - 2.667 GHz，相当于CPU每秒钟可以执行2.667亿条指令。1秒执行2.667亿条指令，好家伙，确实是快呀，想想就累啊，可见CPU也是蛮辛苦的。

时钟周期是CPU执行指令的最基本单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

计算机一些常见操作耗时

普通计算机一秒就能执行数以亿计的指令数，那对应到一些常见操作上的耗时是多少呢？

下面这个表是摘自《性能之巅：洞悉系统、企业与云计算》中的一个关于系统延时的表格，这个表是针对 3.3GHz 时钟频率的计算结果。

一个 CPU 周期当做一个基本单位，和现实世界中的1秒做对应关系，可以看出CPU到底有多快，而和CPU比起来，其他操作到底有多慢。即便对于CPU来说，其他操作很慢，但是现实世界的1秒钟足够计算机干很多事儿了。

事件	耗时	相对时间比例
1个CPU周期	0.3 ns	1s
L1缓存访问	0.9 ns	3s
L2缓存访问	2.8 ns	9s
L3缓存访问	12.9 ns	43s
主存访问（从CPU访问DRAM）	120 ns	6分
固态硬盘I/O（闪存）	50-150 μs	2-6天
旋转磁盘I/O	1-10 ms	1-12月
互联网：从旧金山到纽约	40 ms	4年
互联网：从旧金山到英国	81 ms	8年
互联网：从旧金山到澳大利亚	183 ms	19年
TCP包重传	1-3 s	105-317年
OS虚拟化系统重启	4s	423年
SCSI命令超时	30 s	3千年
硬件虚拟化系统重启	40 s	4千年
物理系统重启	5m	32千年
站在CPU的角度来看，物理重启一次的时间要花上几千年的时间。这比神话传说中的天上一天，人间一年还要夸张。