🕒 计算机系统延迟全景表（从最快到最慢）
本表以“1 个 CPU 周期 ≈ 0.3ns ≈ 1 秒”为基准建立“相对时间”概念，帮助理解系统中各类延迟的数量级差异。适用于性能调优、架构设计、教学演示等场景。
✅ 一、CPU / 缓存层
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
关键影响因素 |
| CPU |
1 个 CPU 周期 |
0.3 ns |
1 秒 |
制程工艺（如 5nm） |
| 缓存 |
L1 缓存访问 |
0.9 ns |
3 秒 |
核心独占，容量约 32KB |
|
L2 缓存访问 |
2.8 ns |
9 秒 |
共享于核心组，容量约 256KB |
|
L3 缓存访问 |
8-12 ns |
26-40 秒 |
所有核心共享，容量约 32MB |
🧠 二、内存 / 本地通信
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
关键影响因素 |
| DRAM |
主存访问（DRAM） |
50-120 ns |
3-6 分钟 |
NUMA 架构、频率、预取、bank 冲突等 |
| 内存共享 |
共享内存（进程间） |
50-200 ns |
3-11 分钟 |
原子同步机制，缓存一致性开销 |
| 本地主机 |
localhost TCP 通信 |
0.5-2 μs |
28 分钟 - 1.8 小时 |
内核协议栈处理、loopback 接口 |
|
UNIX 域套接字 |
0.3-1.5 μs |
17 分钟 - 1.5 小时 |
绕过网络协议栈，用户态更高效 |
|
管道（pipe）通信 |
2-6 μs |
2-6 小时 |
内核缓冲区拷贝、上下文切换 |
💾 三、存储层
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
关键影响因素 |
| 快速存储 |
NVMe SSD（随机 IO） |
10-30 μs |
9 小时 - 1 天 |
PCIe 4/5 接口、IO 队列 |
|
SATA SSD（随机 IO） |
50-150 μs |
2-6 天 |
接口带宽（6 Gbps）、控制器架构 |
| 慢速存储 |
机械硬盘（HDD） |
1-10 ms |
1-12 个月 |
寻道、旋转延迟 |
🌐 四、网络通信层
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
关键影响因素 |
| 高性能网络 |
RDMA（InfiniBand） |
0.5-2 μs |
28 分钟 - 1.8 小时 |
零拷贝、内核旁路 |
| 局域网 |
内网同机房（10Gbps） |
50-500 μs |
2-23 天 |
跳数、协议、交换机负载 |
| 城域网 |
跨机房通信（100km） |
1-5 ms |
1-6 个月 |
光速极限（每 100km ≈ 0.5ms） |
| 蜂窝网络 |
5G 网络空口延迟 |
1-20 ms |
1 月 - 2 年 |
调度、负载、基站资源等 |
| 跨国通信 |
旧金山 → 纽约（互联网） |
40 ms |
4 年 |
光缆路径、BGP 跳数 |
|
旧金山 → 伦敦（跨洋） |
81 ms |
8 年 |
跨大西洋光缆、协议转换 |
| 卫星网络 |
卫星互联网（LEO 星链） |
20-50 ms |
2-5 年 |
低轨卫星高度（~550km）、拥塞控制 |
🚨 五、极端与慢路径场景
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
说明 |
| 网络异常 |
TCP 重传超时（RTO） |
1-3 s |
105-317 年 |
拥塞控制算法，丢包重传等待 |
| 虚拟化 |
虚拟机热迁移 |
10 ms - 10 s |
1 - 317 年 |
脏页、网络带宽、QEMU 传输控制 |
| 系统级 |
物理服务器重启 |
1 - 5 分钟 |
32k - 158k 年 |
BIOS、磁盘检查、系统服务初始化 |
🔬 六、新兴技术层
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
关键说明 |
| 存算融合 |
存算一体（PIM） |
1-10 ns |
3-33 秒 |
近内存计算，减少数据移动 |
| 存储互连 |
CXL 内存池化 |
100-300 ns |
6-17 分钟 |
Compute Express Link 协议开销 |
| 通信实验 |
量子通信（实验室） |
1-10 ns |
3-33 秒 |
非经典通信，量子纠缠 |
| 高带宽内存 |
HBM 访问（HBM3） |
2-5 ns |
6-17 秒 |
用于 AI/GPU，近缓存访问 |
| 存储新介质 |
Intel Optane / SCM |
300 ns - 1 μs |
17 分钟 - 1 小时 |
非易失性持久内存，已停产 |
🧩 七、软件层延迟参考
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
说明 |
| 系统调用 |
getpid() |
100 - 300 ns |
6 - 17 秒 |
内核切换 + syscall 开销 |
|
read()（page cache） |
200 - 800 ns |
11 - 45 秒 |
非阻塞读路径 |
|
write()（无同步） |
200 - 1 μs |
11 秒 - 1 分钟 |
仅写入内核缓冲区 |
| 线程调度 |
上下文切换（用户线程） |
1 - 10 μs |
1 - 9 小时 |
与核迁移/优先级相关 |
|
sched_yield() |
2 - 8 μs |
2 - 7 小时 |
主动让出 CPU |
| 锁与同步 |
互斥锁（无竞争） |
100 - 400 ns |
6 - 22 秒 |
fast path（如 futex 快速锁） |
|
条件变量唤醒 |
5 - 20 μs |
4 - 18 小时 |
有线程阻塞，涉及调度器切换 |
| 动态分配 |
malloc()（私有线程池） |
30 - 100 ns |
2 - 6 秒 |
jemalloc/tcmalloc 快速路径 |
|
malloc()（慢路径） |
0.5 - 5 μs |
28 分钟 - 7 小时 |
系统调用触发 brk/mmap |
| GC 行为 |
JVM Minor GC |
5 - 50 ms |
6 个月 - 5 年 |
STW 停顿与代回收 |
|
JVM Full GC |
100 - 500 ms |
6 - 31 年 |
与 GC 类型、堆大小相关 |
|
Go Stop-the-World GC |
50 - 200 μs |
4 - 17 小时 |
混合写屏障算法，低暂停 |
| 语言特性 |
Python GIL 切换 |
1 - 100 ms |
1 月 - 8 年 |
多线程实际串行 |
|
Java 虚方法调用 |
10 - 100 ns |
0.5 - 6 秒 |
通过虚表跳转，开销较小 |
🧮 八、分布式/系统层延迟补充
| 层级 |
事件 |
延迟范围 |
相对比例 |
说明 |
| 本地队列 |
SPSC 队列（无锁） |
10 - 200 ns |
0.5 - 11 秒 |
高性能事件环、用于 producer-consumer |
| 消息中间件 |
Redis / NATS 本地调用 |
0.5 - 2 μs |
28 分钟 - 1.8 小时 |
IPC/loopback |
| Kafka 消息写入 |
Kafka + ack=1 |
1 - 10 ms |
1 - 12 个月 |
取决于磁盘落盘与 batch 策略 |
| 分布式一致性 |
Raft / Paxos 选主或提交 |
10 - 500 ms |
1 年 - 31 年 |
网络 RTT + 节点确认 + quorum |
| 分布式文件系统 |
Ceph 同步写入 |
1 - 100 ms |
1 月 - 12 年 |
对象同步 + OSD 通信 |
| 对象存储 |
S3 PUT/GET（冷数据） |
10 - 200 ms |
1 年 - 50 年 |
DNS + TLS + 存储查找延迟 |
| 文件系统同步 |
fsync() |
0.5 - 10 ms |
28 天 - 1 年 |
磁盘实际同步，影响数据一致性安全性 |
| 时间同步 |
NTP 同步误差 |
10 - 200 ms |
1 年 - 50 年 |
常用于非金融场景 |
| 时间同步 |
PTP 精密同步 |
100 ns - 10 μs |
6 分钟 - 9 小时 |
适用于工业控制、金融撮合等高精度场景 |
🌩 光纤：理论值计算与实际延迟分析
理论值计算
光纤中的光速：
光在真空中的速度约为 c ≈ 299,792 km/s。光纤中光的传播速度受折射率 n 影响，通常 n ≈ 1.47（石英光纤），因此光纤中的光速为：
v = c / n ≈ 299,792 / 1.47 ≈ 204,000 km/s
中国到美国的距离：
以北京到旧金山为例，直线距离约 9,500 km。但光纤路径并非直线，需绕地形和海底电缆布局，实际路径长度约为直线距离的 1.5 ~ 2 倍。假设为 15,000 km。
理论延迟（单向）：
延迟 = 距离 / 速度 = 15,000 / 204,000 ≈ 0.0735 秒 ≈ 73.5 ms
实际值及影响因素
总结
- 理论延迟：约 73.5 ms（单向，理想路径）。
- 实际延迟：100 ~ 200 ms（单向），受设备、协议和网络环境综合影响。