CPU缓存 L1、L2、L3 的核心区别
总体差异概览
- 三级缓存按照“速度更快、容量更小、离核心更近”到“速度更慢、容量更大、覆盖范围更广”逐级变化：L1 最快最小且贴近核心，L2 容量更大、延迟更高，L3 最大、最慢但在多核间共享，用于进一步降低内存访问延迟。CPU 访问数据时通常按 L1 → L2 → L3 → 内存 的顺序查找，命中则无需访问更下层存储。
关键维度对比
| 维度 |
L1 一级缓存 |
L2 二级缓存 |
L3 三级缓存 |
| 位置与共享 |
每个核心独享，位于核心内部 |
多数架构中每个核心独享，位于核心附近/片上 |
同一封装内多个核心共享，位于芯片内部 |
| 指令/数据分离 |
通常分为 L1d（数据） 与 L1i（指令） |
一般不分指令/数据（统一缓存） |
一般不分指令/数据（统一缓存） |
| 典型容量 |
常见 32–64 KB/核（合计 64–128 KB/核 常见） |
典型 256 KB–1 MB/核（随代际与架构变化） |
典型 数 MB–数十 MB（高端/服务器可达 上百 MB） |
| 访问延迟（周期） |
约 3–4 周期 |
约 10–12 周期 |
约 30–40 周期 |
| 主要作用 |
极快存取当前最热的数据/指令，减少核心等待 |
作为 L1 与 L3/内存之间的缓冲，提升命中率 |
跨核共享热点数据，显著降低内存延迟、缓解带宽压力 |
| 未命中代价 |
触发 L2/L3/内存访问，代价最高 |
触发 L3/内存访问，代价中等 |
触发内存访问，代价相对最低（但仍远高于 L1/L2） |
注：不同微架构与频率下，具体容量与延迟数值会有差异，上表为常见量级与趋势，用于横向理解层级差异。
工作原理与命中率
- 读取遵循层级查找：先在 L1 查找，未命中再到 L2、再到 L3，仍未命中才访问主内存；命中则直接返回数据。程序对内存的访问通常具有时间局部性与空间局部性，因此多级缓存能显著提升命中率并降低平均访问延迟。典型情况下，L1 命中率可达约**90%**量级，只有少量访问落到内存。
多核与缓存一致性
- 由于 L3 为共享缓存，多核并发访问同一内存位置时，需要维护缓存一致性（如通过总线锁/缓存锁等机制），以避免不同核心看到的数据版本不一致。共享也带来一定的资源竞争与带宽压力，这是多核性能调优需要关注的点。
在 cpuinfo 中如何解读
- 关注三项关键信息：
- 每核的 L1d/L1i 容量与是否分离；
- 每核的 L2 容量与是否独享；
- 整个封装的 L3 总容量与共享范围（如是否所有核心共享）。
- 一般而言：L1/L2 容量以 KB/核 计、L3 以 MB/封装 计；L1 常见 32–64 KB/核，L2 常见 256 KB–1 MB/核，L3 常见 数 MB–数十 MB（高端/服务器更大）。这些量级可帮助你快速判断处理器缓存层次是否充足、是否匹配目标负载（如游戏、数据库、数值计算等）。