1.7.2 层次化存储
📝 学习目标
- 理解为什么需要层次化存储：速度/容量/成本无法同时最优
- 掌握“越靠近 CPU 越快、越小、越贵”的规律
- 牢记局部性原理的两种形式，并能读懂真题描述
- 知道虚拟存储由哪两级结构组成
🎯 知识点
1) 层次化存储的核心矛盾
- CPU 很快
- 主存（RAM）速度和容量有限
- 外存（磁盘/SSD）容量大但更慢
解决思路：分层，把“常用/最近要用”的数据放到更快的层。
2) 三要素对比规律（必背）
从 CPU 向外：寄存器 → Cache → 主存 → 外存
- 速度：越来越慢
- 容量：越来越大
- 单位成本：越来越低
3) 局部性原理（层次化存储的理论支撑）
- 时间局部性（Temporal locality）：刚访问过的数据/指令，很快可能再次访问（例如循环）
- 空间局部性（Spatial locality）：访问某地址后，相邻地址很可能被访问（例如顺序访问数组）
真题常用描述：
- “被访问数据聚集在较小连续区域，相邻单元可能被访问” → 空间局部性
- “刚被访问的内容不久又被访问” → 时间局部性
4) 虚拟存储（Virtual Memory）
当主存不够时，用外存作为后备，把部分数据换入换出，使得“看起来像更大的主存”。
软设常考：虚拟存储由哪两级结构组成？
- 主存 + 外存
🧠 难点与易错点
- 易错1：把空间局部性说成“重复访问同一内容”（那是时间局部性）
- 易错2：把虚拟存储说成“Cache + 主存”（那是高速缓存层次，不是虚拟存储）
🔑 关键词解释
- 后备存储（backing store）：外存作为虚拟存储的后备。
- 换入/换出（swap in/out）：数据在主存与外存之间调入/调出。
🔍 联想扩展
- Cache 解决的是“CPU-主存速度不匹配”，依赖局部性。
- 虚拟存储解决的是“主存容量不够”。
🧪 例题（按难度）
简单（3题）
关于层次化存储的“三要素”规律，正确的是：
“刚访问过的指令/数据很快又会被再次访问”体现的是：
关于 Cache 与虚拟存储的作用，正确的是：
中级（3题）
例题1（局部性判断）
“CPU 访问存储器时，被访问数据一般会聚集在一个较小的连续存储区域中；若一个存储单元已被访问，那么相邻的存储单元很有可能被访问。”
该描述体现的是：
选择正确概念：
例题2（虚拟存储的组成）
虚拟存储体系通常由哪两级存储结构组成？
选择正确组成：
从“单位成本（每 bit 价格）”角度看，典型层次结构从高到低的顺序是：
困难（1题）
考虑如下代码片段（概念题，不必纠结语言细节）：
c
for (int i = 0; i < n; i++) sum += a[i]; // 顺序访问数组
for (int t = 0; t < 100; t++) do_work(); // 循环反复执行上述场景分别体现了哪些局部性原理？（可多选）
📚 本课小结
- 层次化存储：速度/容量/成本的权衡
- 局部性原理：时间局部性、空间局部性
- 虚拟存储：主存 + 外存