硬盘、内存、cache为什么要组成金字塔结构？
电脑不是只有CPU、处理器的，它还必须有存储器。存储器就相当于是处理器运算时用的草稿纸。而且电脑还总是处于“草稿纸”不够用的情况，非常耽误处理器运算的速度。
那怎么办呢？我说了，设计电脑的科学家和工程师们就想出了一个绝妙的主意，那就是把电脑的存储器分成内存和外存。外存负责大，就像是仓库一样，可以很便宜地存放很多东西。内存呢，就是负责快了，不需要很多内存空间，就可以让电脑运行得比较快。
注意啊，我刚才说的把存储空间分成内存和外存，是一个非常绝妙的主意。我这可不是夸张啊。为什么这么说，听完这一集你就知道了。
我相信啊，我说把内存和外存分开是一个绝妙的主意，肯定会有人觉得我故弄玄虚。哪里有什么绝妙，不就是一个简单的分工问题吗？不知道你有没有听自己妈妈开玩笑说过这么一句话，“爸爸负责赚钱养家，妈妈负责貌美如花”，别看这是一句玩笑话，但这的确就是一种分工。
虽然现在很多妈妈不见得比爸爸赚钱少，但是靠分工来提高效率还是很有道理的。就比如说做家务活吧，怎么能提高效率呢，就是分工。就比如爸爸不喜欢做饭，但是妈妈特别爱做各种好吃的，相反妈妈不爱整理房间，爸爸却特别喜欢整洁。这就可以分工啊，爸爸负责打扫房间，妈妈负责做饭，这样就可以又吃到好吃的饭，又能让家里干净整洁了。
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内存和外存是不是就是这个道理啊，一个擅长快，一个擅长大，分分工就可以既快又大了。
哪有这么简单啊，如果是这么简单的话，我也不会总是在强调把内存和外存分开是绝妙的想法了。
问题在哪里呢？
你看啊，不论是做饭还是收拾家，都是互相独立的，做饭不影响收拾家，收拾家也不影响做饭。但是你再看电脑里面，存储器的快慢和大小，虽然看起来是互不相关的，但其实是分不开的。
我举个例子啊，假如最新版的游戏《我的世界》发布了，这个新版本利用了很多新技术，已经完全不是现在你玩到的样子了，各种酷炫的效果非常多，游戏的场景也非常大，还能几百人同时在线一起玩。增加了这么多功能，虽然玩家们很开心，但是这也代表着新版游戏需要更高性能的电脑了。就比如，它需要的存储空间就特别大，需要40G的空间。不只是需要的空间大啊，它还必须运行的特别快才行。新版本的《我的世界》对存储速度要求非常高，如果速度不够的话，画面就会一卡一卡的，根本玩不了。
这个时候怎么办呢？你电脑的外存有256G的空间，虽然大小是够了，但是速度太慢。而内存呢，速度肯定没有问题，不过只有8G内存，远远不够存储游戏。这个时候还怎么分工啊，交给外存速度跟不上，交给内存空间不够大。你发现了吧，这个时候是同时既需要空间大，又需要速度快，这可就和做家务不一样了，没办法独立，也就没有办法分工了。
那怎么办呢？这就能体现出科学家和工程师的聪明才智了。
他们让游戏不用的时候保存在外存，等到需要的时候，再把需要那部分数据提取到内存里面来，让这部分需要的数据在内存里面被CPU读取和处理。这一下就可以既能享受到外存的大空间，又能发挥内存读取速度快的优势了。
其实这个原理还是挺简单的，你在自己的家里可能都用过类似的方法。不知道你自己家里的玩具多不多啊，不管多还是不多，爸爸妈妈们肯定不会愿意让你把玩具随便乱放的，平时必须收拾起来。
就比如在我家，我孩子的玩具车啊，乐高啊就很多，如果不收拾的话会到处都是，家里都没地方落脚了。所以，为了能把这么多的玩具保存起来，我家里就准备了一个6层的架子，每层都可以放很多玩具。这样，就算是再买更多的玩具也都可以放下了。
这个架子啊，其实就相当于是电脑的外存，空间大可以放更多的东西。但是架子也高啊，拿什么玩具爬上爬下的特别不方便，你要是想用乐高拼一个机器人，如果直接在架子上拼，那肯定要累个半死。外存也一样，空间大，但是访问起来麻烦，读写的速度比较慢。
那怎么办？也好办，想玩什么玩具了，不要直接在架子上玩啊，先拿下来放在桌子上，桌子上玩起来多方便啊。这个桌子就相当于是内存了，把架子上的玩具拿下来的过程，就是把外存里的数据读取到内存的过程。
在桌子上玩完玩具了，还要放回到架子上，这样就可以存放很多的玩具，又可以玩得痛快了。电脑里面也一样，内存里的数据处理完了，也会继续存放到外存上，这样就可以既享受外存的空间大，又发挥内存快速读取的优势了。
原理是不是也很简单呢？你可能会继续说了，就这啊，我整理玩具都会用到的方法，你还大夸特夸，是不是有点太夸张了啊。
当然，如果科学家和工程师们只是想到这个层次，那么的确不能说特别厉害。那我是不是在夸张呢？
当然没有了，因为我刚才介绍的都是一些基本原理，具体实现起来那可是有非常多的细节问题需要考虑和解决呢。
就比如，处理器读取数据只能是一条一条的读取，这就代表了处理器每进行一次运算，都需要从内存里面读取一次数据。内存最开始可是空着的，什么数据也没有，数据都在外存上呢。所以，每到处理器需要数据的时候，它就会去内存读，一读发现内存没有需要的数据，这个时候再去外存去读数据。
你想，这样是不是就反而更慢了。要是没有内存，处理器直接去外存读取数据，只需要读取一次外存，花费一份时间。但是现在有了内存，处理读取外存的时间，还需要加上读取内存的时间，这不是反而更慢了吗。
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怎么办？也有办法。
你也可以继续想想，自己是怎么在架子上取玩具的。如果你想玩架子上的乐高，用乐高拼一个大型机器人，一个大型机器人可能需要几十上百个积木块呢，你会需要一个积木块就上去架子上拿一个，需要一个拿一个吗？肯定不会吧，肯定是要一次性把需要的积木全拿下来，然后全部放在桌子上拼积木啊。这样这个过程只需要去架子上取一次，花费一次爬架子的时间，剩下的都是在桌子上拼积木了，这就很快了。
内存从外存里面取数据也一样，也不是一条一条的取，而是一下读取一堆。
你玩积木拼机器人，一般都是提前知道需要哪些玩具的，所以可以很轻松的就把玩具收集齐全，一下子全部拿下来放在桌子上。那内存从外存读取数据，可以一下子把需要的数据全部读取到内存里面吗？不是不可以，不过要看情况。
还是用你用乐高拼机器人来举例啊。你这次要拼的机器人特别大，拼好了比你还高，那肯定需要非常多的乐高积木块啊，整张桌子都放不下。所以，你就没办法一次性把所有的积木全部从架子上取下来放在桌子上。当然了，一把这么大的机器人乐高，爸爸妈妈不舍得买，所以你也不太会遇到这样的问题。
但是内存从外存就不一样了，上次讲过，外存的空间往往是内存空间的成百上千倍，就比如刚才我说的最新版《我的世界》，需要40G的空间，而内存呢，只有8G ，电脑的内存根本就装不下。这可不是我随便举例子啊，这是现在的普遍情况。
这个时候该怎么办？内存从外存解决方法我们可以先放放，我们可以先想想看，如果你爸爸妈妈真的在你生日的时候买了一个巨大的机器人乐高，你该怎么办呢？难道因为桌子放不下就不玩了吗？
你可能会说了，桌子放不下不会放地板上吗？那要是地板也放不下该怎么办呢？你是不是又要说，哪里会有地板也放不下的机器人呢？
别急，哆啦A梦就遇到了地板也放不下的情况。没错就是那个机器猫，他和大雄遇到了和你同样的问题。
是什么问题呢？那我就需要把前因后果给你讲一讲了。
在《大雄与铁人兵团》这个长篇大冒险的故事里面，大雄又被欺负了。这次欺负他的是一个机器人。说是机器人，其实只是一个遥控玩具机器人，是小夫的哥哥特别制作的，这个机器人比小夫还要高。
大雄看到了当然就特别羡慕了，就问小夫是不是可以让他也来玩一玩啊。我们都知道，小夫特别爱炫耀，只是在大雄面前操作机器人，就是不让他玩。不只是炫耀啊，还让机器人装上了橡胶子弹攻击大雄，追得大雄只能躲在家里。
大雄就特别不甘心啊，所以就像用出自己的必杀技，哭着去找哆啦A梦帮忙，希望他从口袋里面拿出一个未来的机甲机器人，打败小夫。可是哆啦A梦正因为暑假的天气太热烦躁呢，一听大雄的哭诉，就更加烦躁了，哪有什么未来的机甲机器人啊，那是需要花很多钱才能买来的，根本没钱买。最后哆啦A梦被大雄缠着没办法，就掏出了任意门跑到北极避暑去了。
大雄也跟着跑到了北极，结果没有找到哆啦A梦，但是却捡到了一个和保龄球一样的东西。等把保龄球拿回家之后，发现这个保龄球隔一会就会哔哔哔的响。每次一响，就会从次元空间中掉出一个巨大的零件。大雄刚被小夫的机器人欺负了，所以满脑子还都在想机器人呢，所以一看这些零件就发现了，这些零件应该是属于一个巨大的机甲机器人的。光是一条腿就有两三层楼高，要是拼起来的话估计就能有六七层楼的高度了。
大雄当然就认为这是哆啦A梦刀子嘴豆腐心，虽然嘴上说不帮忙，私底下还是帮他从外来定制了超大型机器人。
结果等哆啦A梦被北极熊追着回到家之后，他一看这些零件也傻眼了，他根本没有预定未来机器人啊。这个巨大的机器人到底是谁的呢？如果你看过这一集的话，当然就知道了，这个机器人其实是一个外星机器人文明派来的先锋，等他侦查清楚地球的情况之后，就会有大部队来征服地球。
当然当时大雄和哆啦A梦不知道，还以为这就是一个巨大的机器人玩具呢。于是大雄就想着，一定要把这个机器人安装完成，拥有一个如此巨大的机器人，一定会让小夫心服口服的。
不过大雄和哆啦A梦却遇到了一个问题，这么大一个机器人，比大雄的家还要大，不论是房间里还是院子里，根本没有足够的空间把这个巨型机器人安装起来。这是不是和你遇到的问题一样，你是拼一个乐高机器人，桌子不够用了，大雄呢是拼一个巨型机甲机器人，别说是放地板上，就是把院子也用上仍然不够用。
大雄怎么办呢？大雄可是有哆啦A梦啊，哆啦A梦从口袋里面拿出了未来道具，创造了一个镜子中的世界，穿过镜子就可以到达一个与真实世界一模一样的平行世界。在那个镜中世界，除了左右相反和没有人之外，其他所有的一切都和真实世界一模一样。只需要把巨型机器人的零件搬到镜中世界，那里有无限大的空间可以安装机器人。
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你可能会说了，这是作弊，大雄那是有哆啦A梦，可以用未来工具，我又没有，创造一个镜中世界的方法肯定不靠谱啊。这个时候该怎么办呢？
你没有办法了，但是计算机的科学家和工程师们有。他们可是经常遇到这种情况的。把几十G上百G的内容，放在8G的内存里面进行处理，这种情况应该比大雄他们在房间里安装巨型机器人还难吧。大雄只能用未来工具解决问题，一点也不现实，而科学家和工程师们就不一样了，他们的解决方法以及在所有的电脑里面实现了。
他们是怎么做的呢？他们会告诉你，别一下把所有的乐高积木都拿下来，而是一部分一部分地拿。比如先把腿部的积木块拿出来，拼好腿部，再把身体的积木块拿出来拼好身体，然后是胳膊啊，头啊，最后再拼成一个整体的机器人。
电脑里面的处理方法也一样，会把外存里面的数据拆开，拆成一页一页的。这个“页”就是一页纸的页，这是电脑里面专有名词了，内存和外存交换数据可不是一条一条交换数据的，而是一页一页的交换数据。页就是内存和外存交换的最小单位。
这就相当于你的玩具和积木块不是一个一个单独地放在架子上，而是把腿部需要的积木放在同一个整理箱里面，胳膊和头的，也都分别保存在不同的整理箱里面。这样，每次取玩具就简单了，可以先把一个整理箱拿出来组成腿部，然后放回架子上，把桌子空间腾出来，再拿下胳膊的整理箱，在桌子上拼好胳膊。
电脑里面内存和外存的数据交换和这个一样。
这个页的大小其实还挺关键的，不能太大了，也不能太小了。如果太大了效率是会降低的，就比如，举一个特别极端的例子。内存不是8G吗，那么我们就让一页等于8G。你第一次打开《我的世界》，一次性就把8G的数据打包好，一次性交换到内存里面。因为一些进来了这么多数据，处理器就好一顿忙活。
这个时候就需要提前注意了，搭积木我们是可以提前知道需要哪些积木块的。处理器处理数据可没有办法预测，也许刚处理完这一条数据，下一条数据就不在内存里了，而是在外存上。这就出现问题了，很可能大概处理了20%的数据吧，发现需要一个数据现在内存里面没有，是在外存上。
这个时候怎么办呢？就需要把现在内存里的所有8G数据，全部再交换到外存上，把内存空间空出来，再把另一页8G的内容交换到内存里面。虽然一下交换了很多数据，但是又80%的数据都没有用到就被交换出去了，非常浪费。到最后可能就会因为处理器找不到数据，而让内存和外存频繁交换数据。效率非常低下。这就像是，在草稿纸上写字，每次只写20%就换一页新纸，太浪费了。
所以，如果一页太大了，就会让很多数据的交换浪费掉，拖慢速度。如果页大小太小了呢，最极端的情况就是一页就只能放一条数据。如果是这样的话，这不就和一条数据一条数据地读取一样了吗？我们前面已经讲过了，这种方式效率更低，还不如直接在外存上进行处理呢。
所以，页的大小必须是一个不大不小的数值。现在的电脑，一般是一页有4K的大小，这样的话最新款《我的世界》有40G的数据存储在硬盘，那这40G的数据将会分成10M个页，也就是40G除以4K=10×1024×1024个页。内存有8G，它除以4K，也就是说内存有2M个页。内存就是用着2M个页的空间，完成了10M个页的数据处理。
其实到这里，问题还没有完。我刚才讲的所有情况，都是只在电脑里面运行一个程序，电脑里的内存全都被一个程序独占了。现实情况可不是这样子的，现在的电脑经常是几十个上百个程序同时运行。有的时候，你觉得自己只打开了一个《我的世界》一个游戏在玩，其实在系统后台你看不见的地方，一定是有几十个程序在和游戏争夺内存的使用权呢。
你拼乐高，如果是在家里，那么家里的整个桌子都是你的。如果是你是在商场的游乐场里面，这就不是你独有的了，那就会有很多孩子和你抢地盘抢玩具，一个处理不好了，就会互相争执起来，甚至还会有人哇哇大哭。
如果是玩玩具，那还好，起争执了还会有家长过来帮忙处理。要是电脑内存也出现这样的情况，那么轻者系统混乱，重者电脑完全瘫痪。
内存里面动辄有上千万个页，怎么管理它们也是一个复杂和精细的工作。科学家和工程师是怎么解决好这个问题的，现在我还没有办法给你解释，等到后面，你对电脑有了更多的了解之后，我们介绍操作系统的时候再给你介绍吧。
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自从电脑有了内存和外存这种协作方式，处理器终于解决了自己的“草稿纸”问题，既可以快速的读写数据，又有足够大的空间来存储数据。
不过，这个故事还没有结束。因为这只是暂时把问题解决了，只要处理器的时间特性和存储器的空间特性，这两个特性不变，那么随时技术的发展，处理器和存储器之间的矛盾，还是会越来越明显的。
这不，到了上个世纪80年代，处理器的速度又远远大于了内存的速度了。这一次该怎么办呢？内存和外存协作的方法，其实就相当于把存储器从原来的一层，分成了两层。也就是内存是第一层，外存是第二层。如果处理器速度又快了，就是速度快的内存也跟不上了，怎么办呢？那就继续分层啊。
在处理器和内存之间再加一层存储设备，这个存储设备速度比内存还要快，速度快肯定价格更高嘛，所以空间就会更小。这就相当于是内存的内存。工程师为了和内存区别，把处理器和内存之间的这部分存储器叫做cache，中文叫做缓存。因为英文单词正好是拼音“擦车”，所以大家一般也会开玩笑说“我电脑的擦车大小是多少多少”，这样的玩笑话。
缓存在处理器和内存之间，为了处理器能更快访问，所以一般的做法都是把缓存集成到处理器芯片内部，所以不需要单独购买缓存，缓存已经是处理器内部的特性之一了。所以，高手挑处理器，就不只是看处理器的主频率是不是够高，还要看缓存的大小。
最开始，处理器和内存之间，只需要多加一层“擦车”就行了，但是随着处理器速度的越来越快，一层缓存已经不够了，于是在处理器和缓存中间又加了一层，缓存就变成了2层了，分别是一级缓存和二级缓存，也就是L1 cache和L2 cache。到了现在，2层都已经不够用了。就比如我现在正在用的电脑，是Intel的i7处理器，就有3级缓存，L1是64KB，L2是256KB，L3是16MB。当然，现在的处理器都是多核处理器，我的处理器是8核的，L1和L2是每个核心都有自己独立缓存，L3是所有核心共用的。而我的内存，是32GB，磁盘空间也就是外存有2TB。
而它们之间的速度差别呢，我可以给你对比一下。假如把处理器本身读取一条数据的时间放慢到1秒的话，那么L1缓存读取一条数据的时间就是3秒，L2是9秒，L3是43秒，内存是6分钟，固态硬盘是2-6天，机械硬盘的话是1-12个月。差距那是非常大的。
所以，如果把电脑里面从L1缓存到外存都放在一起的话，这就像是一个金字塔一样，最顶层空间最小，但是速度最快，最底层速度最慢，但是空间最大。这整个结构就是科学家和工程师，为了解决处理器和存储器之间矛盾提出的整体解决方案，一个存储设备的金字塔结构。