1.4 CPU 与内存
CPU（Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路板，是计算机的核心部件，承载着计算机的主要运算和控制功能，是计算机指令的最终解释模块和执行模块。硬件包括基板、核心、针脚，基板用来固定核心和针脚，针脚通过基板上的基座连接电路信号，CPU 核心的工艺极度精密，达到10 纳米级别。
和其他硬件设备相比，在实际代码的运行环境中，CPU 与内存是密切相关的两个硬件设备，本节对CPU 和内存简单介绍一下。开发工程师在实际编程中，对这两个部件有一定的掌控性，熟悉CPU 和内存的脾气，让它们以自己期望的方式执行相关指令。在CPU 的世界里，没有缤纷多彩的图像、悦耳动听的音乐，只有日复一日地对0 与1 电流信号的处理。但CPU 内部的处理机制是十分精密而复杂的，总的来说，就是由控制器和运算器组成的，内部寄存器使这两者协同更加高效。CPU 的内部结构如图1-8 所示。
图1-8 CPU 的内部结构
1. 控制器
控制器由图1-8 中所示的控制单元、指令译码器、指令寄存器组成。其中控制单元是CPU 的大脑，由时序控制和指令控制等组成；指令译码器是在控制单元的协调下完成指令读取、分析并交由运算器执行等操作；指令寄存器是存储指令集，当前流行的指令集包括X86、SSE、MMX 等。控制器有点像一个编程语言的编译器，输入0 与1 的源码流，通过译码和控制单元对存储设备的数据进行读取，运算完成后，保存回寄存器，甚至是内存。
2. 运算器
运算器的核心是算术逻辑运算单元，即ALU，能够执行算术运算或逻辑运算等各种命令，运算单元会从寄存器中提取或存储数据。相对控制单元来说，运算器是受控的执行部件。任何编程语言诸如a+b 的算术运算，无论字节码指令，还是汇编指令，最后一定会以0 与1 的组合流方式在部件内完成最终计算，并保存到寄存器，最后送出CPU。平时理解的栈与堆，在CPU 眼里都是内存。
3. 寄存器
最著名的寄存器是CPU 的高速缓存L1、L2，缓存容量是在组装计算机时必问的两个CPU 性能问题之一。缓存结构和大小对CPU 的运行速度影响非常大，毕竟CPU的运行速度远大于内存的读写速度，更远大于硬盘。基于执行指令和热点数据的时间局部性和空间局部性，CPU 缓存部分指令和数据，以提升性能。但由于CPU 内部空间狭小且结构复杂，高速缓存远小于内存空间。
CPU 是一个高内聚的模块化组件，它对外部其他硬件设备的时序协调、指令控制、存取动作，都需要通过操作系统进行统一管理和协调。所谓的CPU 时间片切分，并非CPU 内部能够控制与管理。CPU 部件是一个任劳任怨的好公民代表，只要有指令就会马不停蹄地执行，高级语言提供的多线程技术和并发更多地依赖于操作系统的调配，并行更多依赖于CPU 多核技术。多核CPU 即在同一块基板上封装了多个Core。还有一种提升CPU 性能的方式是超线程，即在一个Core 上执行多个线程，如图1-9所示为2 个Core，但是有4个逻辑CPU，并有对应独立的性能监控数据。
图1-9 多核CPU
CPU 与内存的执行速度存在巨大的鸿沟，如图1-8 所示的L2 和L3 分别是256KB 和4MB，它们是CPU 和内存之间的缓冲区，但并非所有的处理器都有L3 缓存。曾几何时，内存就是系统资源的代名词，它是其他硬件设备与CPU 沟通的桥梁，计算机中的所有程序都在内存中运行，它的容量与性能如果存在瓶颈，即使CPU 再快，也是枉然。内存物理结构由内存芯片、电路板、控制芯片、相关支持模块等组成，内存芯片结构比较简单，核心是存储单元，支持模块是地址译码器和读写控制器，如图1-10 所示。
图1-10 计算机存储方式
从图1-10 中可以看出，越往CPU 核心靠近，存储越贵，速度越快。越往下，存储越便宜、速度越慢，当然容量也会更大。云端存储使得应用程序无须关心是分布式还是集中式，数据如何备份和容灾。在本地磁盘与CPU 内部的缓存之间，内存是一个非常关键的角色，但它很敏感，内存颗粒如果有问题无法存储，或控制模块出现地址解析问题，或内存空间被占满，都会导致无法正常地执行其他应用程序，甚至是操作系统程序。程序员们最害怕的OOM 通常来源于由于不恰当的编码方式而导致内存的资源耗尽，虽然现代内存的容量已经今非昔比，但仍然是可以在秒级内耗尽所有内存资源的。
图1-10 中的存储单元都有一个十六进制的编号，在32 位机器上是0x 开始的8位数字编号，就是内存存储单元的地址，相当于门牌号。以C 和C++ 为代表的编程语言可以直接操作内存地址，进行分配和释放。举个例子，要写一份数据到存储单元中，就像快递一个包裹，需要到付并且当面签收，到了对应的住址，发现收件人不在，就抛出异常。如图1-11 所示的经典错误，估计很多人都遇到过，选择要调试程序，单击【取消】按钮，并无反应，也不会出现调试界面。内存的抽象就是线性空间内的字节数组，通过下标访问某个特定位置的数据，比如C 语言使用malloc() 进行内存的分配，然后使用指针进行内存的读与写。
图1-11 内存出错警告
而以Java 为代表的编程语言，内存就交给JVM 进行自动分配与释放，这个过程称为垃圾回收机制。这就好像刚才的快递员并不直接访问内存单元，只是把包裹放在叫JVM 的老大爷家里。付出的代价是到货速度慢了，影响客户体验。毕竟老大爷并不是实时立马转交的，而是要攒到一定的包裹量再挨家挨户地给收件人送过去。虽然垃圾回收机制能为程序员减负，但如果不加节制的话，同样会耗尽内存资源。
