計算機二級緩存（L2 Cache）原理與作用

定義

L2 Cache 位於 CPU 核心與主內存之間，容量大於 L1（通常 256KB~幾十 MB），速度介於 L1 和內存之間。

層級結構

寄存器 (最快, 最小)
   ↓
L1 Cache (指令/數據分離, ~32-64KB)
   ↓
L2 Cache (統一, ~256KB-8MB)
   ↓
L3 Cache (多核共享, ~8-32MB, 現代 CPU 常見)
   ↓
主內存 (DRAM, ~GB 級)
   ↓
硬盤/SSD (最慢, 最大)

作用機制

• 數據訪問優先查找 L1 → L2 → L3 → 內存。
• L2 緩存 L1 未命中但近期可能訪問的數據，降低內存訪問延遲。
• 包含指令、數據，採用寫回/寫通策略保持一致性。

為什麼不全用寄存器？

成本指數級增長：SRAM (Cache) 單位成本遠高於 DRAM (內存)，寄存器更貴。金字塔結構在成本與性能間取得平衡。

現代演進

多核 CPU 引入 L3 Cache 共享，減少核間數據傳輸開銷。部分架構（如 AMD Zen）採用大容量 L3 作為「受害者緩存」。

理解緩存層級，有助於編寫緩存友好代碼（空間/時間局部性）。