24張圖7000字詳解計(jì)算機(jī)中的高速緩存

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1. 什么是緩存

??緩存又叫高速緩存修壕，是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的一種吆豹，本質(zhì)上和硬盤是一樣的境输，都是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令的 幼东。它們最大的區(qū)別在于讀取速度的不同。程序一般是放在內(nèi)存中的士骤，當(dāng)CPU執(zhí)行程序的時(shí)候范删，執(zhí)行完一條指令需要從內(nèi)存中讀取下一條指令，讀取內(nèi)存中的指令要花費(fèi)100000個(gè)時(shí)鐘周期（緩存讀取速度為200個(gè)時(shí)鐘周期拷肌，相差500倍）到旦，如果每次都從內(nèi)存中取指令，CPU運(yùn)行時(shí)將花費(fèi)大量的時(shí)間在讀取指令上巨缘。這顯然是一種資源浪費(fèi)添忘。

??如何解決這個(gè)問題呢？有人肯定會(huì)問若锁，直接把程序存儲(chǔ)在緩存中不行嗎搁骑？

??答案是可以的。但是又固，緩存的造價(jià)太貴了靶病。具體如下圖所示。以2015年的售價(jià)為例口予，1GB SRAM的價(jià)格大約為327680美元，而1GB 普通硬盤的價(jià)格僅僅為0.03美元涕侈。用緩存來(lái)存儲(chǔ)程序成本太高了沪停，得不償失。

SRAM和DISK價(jià)格比較

??于是裳涛，有人就提出了這樣一種方法木张，在CPU和內(nèi)存之間添加一個(gè)高速內(nèi)存， 這個(gè)高速內(nèi)存容量小端三，只用來(lái)存儲(chǔ)CPU執(zhí)行時(shí)常用的指令舷礼。既保證了硬件成本，又提高了CPU的訪問速度郊闯。這個(gè)高速內(nèi)存就是緩存（高速緩存）妻献。

2. 緩存的定義

??高速緩存是一個(gè)小而快速的存儲(chǔ)設(shè)備 ，它作為存儲(chǔ)在更大更慢的設(shè) 備中的數(shù)據(jù)對(duì)象的緩沖區(qū)域团赁。使用高速緩存的過程稱為緩存 育拨。

??具體如下圖所示，主存可以作為一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備欢摄，L3是主存的緩沖區(qū)域熬丧，從L3存取數(shù)據(jù)的過程就叫做緩存。

存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

3. 計(jì)算機(jī)中的高速緩存

3.1 高速緩存相關(guān)名詞

??如下圖所示怀挠，數(shù)據(jù)總是以塊為單位 在高速緩存和主存之間來(lái)回復(fù)制析蝴。

緩存和內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換

??如果我們的程序請(qǐng)求一個(gè)數(shù)據(jù)字害捕，這個(gè)數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)在編號(hào)為10的塊中。將分以下幾種情況考慮：

??1. 高速緩存行中為空闷畸，這叫做冷不命中 尝盼。

??2.高速緩存中有數(shù)據(jù)塊，但沒有數(shù)據(jù)塊10腾啥，這叫做緩存不命中 东涡。接下來(lái)緩存請(qǐng)求主存將該塊復(fù)制到高速緩存，高速緩存接收到之后將替換一個(gè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)塊倘待，從而存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)塊在高速緩存中疮跑。最后，高速緩存將數(shù)據(jù)塊10返回給CPU凸舵。

??3. 高速緩存中有數(shù)據(jù)祖娘，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)塊放置到高速緩存中時(shí)，發(fā)生了沖突啊奄，這叫做沖突不命中 渐苏。

放置策略中最常用的是：第k+1層的塊i必須放在第k層的塊（i mod 4）中。比如菇夸，第k+1層的0,4,8,12會(huì)映射到第k層的塊0琼富。塊1,5,9,13會(huì)映射到塊1。

??4. 緩存中有數(shù)據(jù)塊10庄新，則直接返回給CPU鞠眉。這叫做緩存命中 。

3.2 計(jì)算機(jī)中的高速緩存存儲(chǔ)器模型

??高速緩存完全由硬件管理择诈，硬件邏輯必須要知道械蹋，如何查找緩存中的塊，并確定是否包含特定塊羞芍。因此哗戈，必須以非常嚴(yán)格且簡(jiǎn)單的方式去構(gòu)建高速緩存。在計(jì)算機(jī)中荷科，高速緩存模型如下圖所示唯咬。

計(jì)算機(jī)中的高速緩存模型

??我們可以將高速緩存存儲(chǔ)器視為有 $S = {2^s}$ 個(gè)高速緩存組的數(shù)組 。每個(gè)組包含 $E = {2^e}$ 個(gè)高速緩存行 畏浆。每個(gè)行是由一個(gè) $B = {2^b}$ 字節(jié)的數(shù)據(jù)塊組成的副渴。

??一般而言，高速緩存的結(jié)構(gòu)可以用元組（S,E,B,m）來(lái)描述全度。高速緩存的大兄缶纭（或容量）C指的是所有塊的大小的和。標(biāo)記位和有效位不包括在內(nèi) 。因此勉盅，C=S×E×B佑颇。

??每個(gè)高速緩存存儲(chǔ)器有m位，可以組成 $M = {2^m}$ 個(gè)不同的地址草娜， $m = t + s + b$ 挑胸。每個(gè)數(shù)據(jù)塊由以下三部分構(gòu)成。

??有效位：有效位為t位宰闰，t一般為1茬贵，指明這個(gè)行是否包含有效信息。

??標(biāo)記位：標(biāo)記位為s位移袍。唯一的標(biāo)識(shí)了存儲(chǔ)在高速緩存中的塊（數(shù)組索引）解藻。

??塊偏移：數(shù)據(jù)塊為 $B = {2^b}$ 字節(jié)。指明CPU請(qǐng)求的內(nèi)容在數(shù)據(jù)塊中的偏移葡盗。

地址和計(jì)算機(jī)緩存模型

??下面對(duì)以上內(nèi)容出現(xiàn)的參數(shù)做個(gè)總結(jié)：

參數(shù)	描述
$S = {2^s}$	組數(shù)
$E$	每個(gè)組的行數(shù)
$B = {2^b}$	塊大忻蟆（字節(jié)）
$m = {\log _2}(M)$	物理地址位數(shù)
$M = {2^m}$	內(nèi)存地址的最大數(shù)量
$s = {\log _2}(S)$	組索引位數(shù)量
$b = {\log _2}(B)$	塊偏移位數(shù)量
$t = m - (s + b)$	標(biāo)記位數(shù)量
$C = B \times E \times S$	不包括像有效位和標(biāo)記位這樣開銷的高速緩存大小（字節(jié)）

3.3 計(jì)算機(jī)中有哪些緩存

?下表為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中用到的各種緩存觅够。

類型	緩存什么	被緩存在何處	延遲（周期數(shù)）	由誰(shuí)管理
CPU寄存器	4字節(jié)或8字節(jié)	芯片上的CPU寄存器	0	編譯器
TLB	地址翻譯	芯片上的TLB	0	硬件MMU
L1高速緩存	64字節(jié)塊	芯片上的L1高速緩存	4	硬件
L2高速緩存	64字節(jié)塊	芯片上的L2高速緩存	10	硬件
L3高速緩存	64字節(jié)塊	芯片上的L3高速緩存	50	硬件
虛擬內(nèi)存	4KB頁(yè)	主存	200	硬件
緩沖區(qū)緩存	部分文件	主存	200	OS
磁盤緩存	磁盤扇區(qū)	磁盤控制器	100000	控制器固件
網(wǎng)絡(luò)緩存	部分文件	本地磁盤	10000000	NFS客戶
瀏覽器緩存	Web頁(yè)	本地磁盤	10000000	Web瀏覽器
Web緩存	Web頁(yè)	遠(yuǎn)程服務(wù)器磁盤	1000000000	Web代理服務(wù)器

3.4 硬件讀取高速緩存的過程

??當(dāng)一條加載指令指示CPU從主存地址A中讀取一個(gè)字w時(shí)胶背，會(huì)將該主存地址A發(fā)送到高速緩存中，則高速緩存會(huì)根據(jù)以下步驟判斷地址A是否命中：

??組選擇：根據(jù)地址劃分喘先，將中間的s位表示為無(wú)符號(hào)數(shù)作為組的索引 钳吟，可得到該地址對(duì)應(yīng)的組。

??行匹配：根據(jù)地址劃分窘拯，可得到t位的標(biāo)志位红且，由于組內(nèi)的任意一行都可以包含任意映射到該組的數(shù)據(jù)塊，所以就要線性搜索組中的每一行树枫，判斷是否有和標(biāo)志位匹配且設(shè)置了有效位的行 ，如果存在景东，則緩存命中砂轻，否則緩沖不命中。

??字抽取：如果找到了對(duì)應(yīng)的高速緩存行斤吐，則可以將b位表示為無(wú)符號(hào)數(shù)作為塊偏移量 搔涝，得到對(duì)應(yīng)位置的字。

??當(dāng)高速緩存命中時(shí)和措，會(huì)很快抽取出字w庄呈，并將其返回給CPU。如果緩存不命中派阱，CPU會(huì)進(jìn)行等待诬留，高速緩存會(huì)向主存請(qǐng)求包含字w的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)請(qǐng)求的塊從主存到達(dá)時(shí)，高速緩存會(huì)將這個(gè)塊保存到它的一個(gè)高速緩存行中文兑，然后從被存儲(chǔ)的塊中抽取出字w盒刚，將其返回給CPU。

4. 直接映射高速緩存

??上面我們介紹了計(jì)算機(jī)中的高速緩存模型绿贞，我們可以根據(jù)每個(gè)組的高速緩存行數(shù)E因块，將高速緩存分成不同的類型。下面我們看下直接映射高速緩存（E=1）的具體例子籍铁。

4.1 組選擇

??組選擇示意圖如下所示涡上。假設(shè)有 S 組，每組由一行組成拒名，緩存塊為8字節(jié)吩愧。CPU發(fā)出地址要取數(shù)據(jù)字，高速緩存將該地址分解為三部分靡狞，對(duì)于圖中的地址來(lái)說(shuō)耻警，塊偏移量為4。組索引是 1 甸怕，粉紅色的為t位標(biāo)記位甘穿。 因此，高速緩存提取的組索引為 1梢杭，即圖中第二行温兼。

直接映射高速緩存組選擇

4.2 行匹配

??然后，檢查地址中的標(biāo)記位與緩存行中的標(biāo)記位是否匹配武契。如果匹配募判，將進(jìn)行下一步字選擇。如果不匹配咒唆，則表示未命中届垫。在未命中時(shí)，高速緩存必須從內(nèi)存中重新取數(shù)據(jù)塊全释， 在行中覆蓋此塊装处。

直接映射高速緩存行匹配

4.3 字選擇

??當(dāng)標(biāo)記位匹配時(shí)，表示命中浸船，接著檢查地址中的塊偏移為4妄迁，即要從緩存行數(shù)據(jù)塊的第5位開始取值，并返回給CPU李命。

直接映射高速緩存字選擇

4.4 模擬直接映射緩存

??下面登淘，我們模擬下直接映射高速緩存的過程，以便加深理解高速緩存是如何工作的封字。假設(shè)黔州，內(nèi)存地址為4字節(jié)耍鬓，S=4組，E=1行/組辩撑，B=2字節(jié)/塊界斜。 其結(jié)構(gòu)圖如下所示。

模擬直接映射高速緩存地址結(jié)構(gòu)圖

??我們模擬CPU要從高速緩存中讀取地址為0,1,7,8,0的數(shù)據(jù)合冀。下面是具體的過程各薇。

地址	二進(jìn)制	是否命中
0	[ ${0000_2}$ ]（t=0,s=00,b=0）
1	[ ${0001_2}$ ]（t=0,s=00,b=1）
7	[ ${0111_2}$ ]（t=0,s=11,b=1）
8	[ ${1000_2}$ ]（t=1,s=00,b=0）
0	[ ${0000_2}$ ]（t=00,s=0,b=0）

??1. 讀地址0的數(shù)據(jù)。標(biāo)記位為0君躺，索引位為00峭判，偏移位為0，塊號(hào)為0棕叫。緩存行中沒有數(shù)據(jù)林螃，組0的有效位為0，地址的標(biāo)記位和組0的標(biāo)記位不匹配俺泣，因此疗认，未命中。然后伏钠，高速緩存從內(nèi)存中取出塊0横漏，塊1，共2字節(jié)熟掂，并存儲(chǔ)在組0中缎浇。具體如下圖所示。

模擬直接映射高速緩存讀地址0的數(shù)據(jù)

??2. 讀地址1的數(shù)據(jù)赴肚。標(biāo)記位為0素跺，索引位為00，偏移位為1誉券，塊號(hào)1指厌。 緩存行中已有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，組0的有效位為1踊跟，地址1的標(biāo)記位和組0的標(biāo)記位匹配踩验，因此，命中琴锭。具體如下圖所示晰甚。

模擬直接映射高速緩存讀地址1的數(shù)據(jù)

??3. 讀地址7的數(shù)據(jù)衙传。標(biāo)記位為0决帖，索引位為11（3），偏移位為1蓖捶，塊號(hào)為3地回。 緩存行中有數(shù)據(jù)，組3的有效位為0，地址的標(biāo)記位和組0的標(biāo)記位不匹配刻像，因此畅买，未命中。然后细睡，高速緩存從內(nèi)存中取出塊6谷羞，塊7，共2字節(jié)溜徙，并存儲(chǔ)在組3中湃缎。具體如下圖所示。

模擬直接映射高速緩存讀地址7的數(shù)據(jù)

?? 4. 讀地址8的數(shù)據(jù)蠢壹。標(biāo)記位為1嗓违，索引位為00，偏移位為0图贸，塊號(hào)為4蹂季。 緩存行中有數(shù)據(jù)，組0的有效位為1疏日，地址的標(biāo)記位和組0的標(biāo)記位不匹配偿洁，因此，未命中制恍。然后父能，高速緩存從內(nèi)存中取出塊8，塊9净神，共2字節(jié)何吝，并存儲(chǔ)在組0中。具體如下圖所示鹃唯。

模擬直接映射高速緩存讀地址8的數(shù)據(jù)

?? 5. 讀地址0的數(shù)據(jù)爱榕。標(biāo)記位為0，索引位為00坡慌，偏移位為0黔酥，塊號(hào)為0。緩存行中有數(shù)據(jù)洪橘，組0的有效位為1跪者，地址的標(biāo)記位和組0的標(biāo)記位不匹配，因此熄求，未命中渣玲。然后，高速緩存從內(nèi)存中取出塊0弟晚，塊1忘衍，共2字節(jié)逾苫，并存儲(chǔ)在組0中。具體如下圖所示枚钓。

模擬直接映射高速緩存再次讀地址0的數(shù)據(jù)

??最終結(jié)果如下：緩存命中率為20%铅搓。

地址	二進(jìn)制	是否命中
0	[ ${0000_2}$ ]（t=0,s=00,b=0）	否
1	[ ${0001_2}$ ]（t=0,s=00,b=1）	是
7	[ ${0111_2}$ ]（t=0,s=11,b=1）	否
8	[ ${1000_2}$ ]（t=1,s=00,b=0）	否
0	[ ${0000_2}$ ]（t=00,s=0,b=0）	否

注意：塊大小為2字節(jié)，所以從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)總是以偶數(shù)倍開始的搀捷，所以會(huì)看到M[8-9],而不是M[7-8]星掰。

??如果你看懂了上述高速緩存的整個(gè)過程，考慮下如何編程來(lái)模擬高速緩存呢嫩舟？ 后面的文章我會(huì)詳細(xì)講解如何用C語(yǔ)言模擬高速緩存蹋偏，歡迎關(guān)注我的公眾號(hào)【嵌入式與Linux那些事】，第一時(shí)間獲取更新至壤。

4.5 直接映射高速緩存的缺陷

??觀察以上過程其實(shí)可以發(fā)現(xiàn)威始，在第5步，讀地址0的數(shù)據(jù)的時(shí)候像街，我們又得重新從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)到緩存行中黎棠。 在讀地址8的數(shù)據(jù)的時(shí)候，M[8-9]替換了緩存行中的M[0-1]镰绎。

??最主要的原因是每一個(gè)組中只允許存放一行緩存脓斩。 假設(shè)，E = 2畴栖，每組中有2個(gè)緩存行随静，M[8-9]和M[0-1]就有很大可能同時(shí)存在于組0中。我們?cè)诘?步訪問時(shí)吗讶，就不需要重新從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)了燎猛。因此，就有了E = 2的兩路相聯(lián)高速緩存照皆。

5. 兩路相聯(lián)高速緩存

??直接映射高速緩存中沖突不命中造成的問題源于每個(gè)組只有一行這個(gè)限制重绷。組相聯(lián)高速存放松了這條限制，所以每個(gè)組都保存有多于一個(gè)的高速緩存行膜毁。如下圖所示為兩路相聯(lián)的高速緩存昭卓。

5.1 組選擇

??它的組選擇與直接映射高速緩存的組選擇一樣，組索引位標(biāo)識(shí)組瘟滨。具體如下圖所示候醒，這里不再贅述。

兩路相聯(lián)高速緩存組選擇

5.2 行匹配

??組相聯(lián)高速緩存中的行匹配比直接映射高速緩存中的更復(fù)雜杂瘸，因?yàn)樗仨毭看螜z查多個(gè)行 的標(biāo)記位和有效位倒淫，以確定所請(qǐng)求的字是否在集合中。具體如下圖所示胧沫。

兩路相聯(lián)高速緩存行匹配

5.3 字選擇

??字選擇的過程和直接映射高速緩存中的方式一樣昌简，這里就不再贅述。

兩路相聯(lián)高速緩存字選擇

5.4 模擬兩路相聯(lián)高速緩存

??下面绒怨，我們模擬下兩路相聯(lián)高速緩存的過程纯赎，以便加深理解高速緩存是如何工作的。假設(shè)南蹂，內(nèi)存地址為4字節(jié)犬金，S=2組，E=2行/組六剥，B=2字節(jié)/塊晚顷。其結(jié)構(gòu)圖如下所示。

兩路相聯(lián)高速緩存地址結(jié)構(gòu)

??我們模擬CPU要從高速緩存中讀取地址為0,1,7,8,0的數(shù)據(jù)疗疟。下面是具體的過程该默。

地址	二進(jìn)制	是否命中
0	[ ${0000_2}$ ] （t=00,s=0,b=0）
1	[ ${0001_2}$ ]（t=00,s=0,b=1）
7	[ ${0111_2}$ ]（t=01,s=1,b=1）
8	[ ${1000_2}$ ]（t=10,s=0,b=0）
0	[ ${0000_2}$ ]（t=00,s=0,b=0）

??1. 讀地址0的數(shù)據(jù)。標(biāo)記位為00策彤，索引位為0栓袖，偏移位為0，塊號(hào)為0店诗。緩存行中沒有數(shù)據(jù)裹刮，組0的有效位為0，地址的標(biāo)記位和組0的第一行和第二行的標(biāo)記位都不匹配庞瘸，因此捧弃，未命中。然后擦囊，高速緩存從內(nèi)存中取出塊0违霞，塊1，共2字節(jié)瞬场，并存儲(chǔ)在組0第一行中葛家。具體如下圖所示。

模擬兩路相聯(lián)高速緩存讀地址0的數(shù)據(jù)

??2. 讀地址1的數(shù)據(jù)泌类。標(biāo)記位為00癞谒，索引位為0，偏移位為1刃榨，塊號(hào)為1弹砚。緩存行中已有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，組0的第一行有效位為1枢希，地址1的標(biāo)記位和組0的第一行標(biāo)記位匹配桌吃，因此，命中苞轿。具體如下圖所示茅诱。

模擬兩路相聯(lián)高速緩存讀地址1的數(shù)據(jù)

??3. 讀地址7的數(shù)據(jù)逗物。標(biāo)記位為01，索引位為1瑟俭，偏移位為1翎卓，塊號(hào)為1。緩存行中有數(shù)據(jù)摆寄，組1的有效位為0失暴，地址的標(biāo)記位和組1中的第一行和第二行的標(biāo)記位不匹配，因此微饥，未命中逗扒。然后，高速緩存從內(nèi)存中取出塊6欠橘，塊7矩肩，共2字節(jié)，并存儲(chǔ)在組1中肃续。具體如下圖所示蛮拔。

模擬兩路相聯(lián)高速緩存讀地址7的數(shù)據(jù)

?? 4. 讀地址8的數(shù)據(jù)。標(biāo)記位為10痹升，索引位為0建炫，偏移位為0，塊號(hào)為0疼蛾。緩存行中有數(shù)據(jù)肛跌，組0的第一行有效位為1，第二行有效位為0察郁，地址的標(biāo)記位和組0的第一行和第二行的標(biāo)記位不匹配衍慎，因此，未命中皮钠。然后稳捆，高速緩存從內(nèi)存中取出塊8，塊9麦轰，共2字節(jié)乔夯，并存儲(chǔ)在組0的第二行中。具體如下圖所示款侵。

模擬兩路相聯(lián)高速緩存讀地址8的數(shù)據(jù)

?? 5. 讀地址0的數(shù)據(jù)末荐。標(biāo)記位為00，索引位為0新锈，偏移位為0甲脏，塊號(hào)為0。緩存行中有數(shù)據(jù)，組0的第一行有效位為1块请，地址的標(biāo)記位和組0的第一行的標(biāo)記位匹配娜氏，因此，命中墩新。具體如下圖所示贸弥。

模擬兩路相聯(lián)高速緩存再次讀地址0的數(shù)據(jù)

地址	二進(jìn)制	是否命中
0	[ ${0000_2}$ ] （t=00,s=0,b=0）	否
1	[ ${0001_2}$ ]（t=00,s=0,b=1）	是
7	[ ${0111_2}$ ]（t=01,s=1,b=1）	否
8	[ ${1000_2}$ ]（t=10,s=0,b=0）	否
0	[ ${0000_2}$ ]（t=00,s=0,b=0）	是

??兩路相聯(lián)高速緩存與直接映射高速緩存相比，在每組中增加了一行抖棘，緩存命中率提升了15%。避免了緩存頻繁從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)的情況狸涌，提高了程序運(yùn)行速度切省。

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6. 全相聯(lián)高速緩存

??全相聯(lián)高速緩存中的行匹配和字選擇與組相聯(lián)高速緩存中的是一樣的，過程就不再贅述懒豹，其結(jié)構(gòu)圖如下所示芙盘。

全相聯(lián)高速緩存結(jié)構(gòu)示意圖

相聯(lián)度越高越好嗎？

答案是否定的脸秽。較高的相聯(lián)度會(huì)造成較高的成本儒老。實(shí)現(xiàn)難度大，價(jià)格昂貴记餐，而且很難使之速度變快驮樊。較高的相聯(lián)度會(huì)增加命中時(shí)間，因?yàn)閺?fù)雜性增加了片酝，另外囚衔，還會(huì)增加不命中處罰，因?yàn)檫x擇犧牲行的復(fù)雜性也增加了雕沿。

相聯(lián)度的選擇最終變成了命中時(shí)間和不命中處罰之問的折中练湿。一般來(lái)講，高性能系統(tǒng)會(huì)為L(zhǎng)1高速緩存選擇較低的相聯(lián)度（這里的不命中處罰只是幾個(gè)周期）审轮，而在不命中處罰比較高的較低層上使用比較小的相聯(lián)度肥哎。例如， Intel Core i7系統(tǒng)中疾渣，L和L2高速緩存是8路組相聯(lián)的贤姆，而L3高速緩存是16路組相聯(lián)的。

7. 真實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的緩存

??在此之前稳衬，我們一直假設(shè)高速緩存只保存數(shù)據(jù)霞捡。不過，實(shí)際上薄疚，高速緩存既保存數(shù)據(jù)碧信，也保存指令赊琳。只保存指令的高速緩存稱為 i-cache 。只保存程序數(shù)據(jù)的高速緩存稱為 d-cache 砰碴。既保存指令又包括數(shù)據(jù)的高速緩存稱為 統(tǒng)一的高速緩存 躏筏。

??如下圖所示為 Intel Core i7處理器的高速緩存層次結(jié)構(gòu)。每個(gè)CPU芯片有四個(gè)核呈枉。每個(gè)核有自己的L1 i-cache趁尼， L1 d-cache和L2統(tǒng)一的高速緩存。所有的核共享片上L3統(tǒng)一的高速緩存猖辫。其具體參數(shù)如下表所示酥泞。

真實(shí)計(jì)算機(jī)的緩存模型

緩存	大小	內(nèi)部結(jié)構(gòu)	訪問時(shí)間
L1	32KB	8路相聯(lián)	4時(shí)鐘
L2	256KB	8路相聯(lián)	10時(shí)鐘
L3	8M	16路相聯(lián)	40-75時(shí)鐘

8. 緩存的評(píng)價(jià)指標(biāo)

??最后介紹下衡量高速緩存性能的一些指標(biāo)：

8.1 不命中率

??在一個(gè)程序執(zhí)行或程序的一部分執(zhí)行期間，內(nèi)存引用不命中的比率啃憎，它等于： 不命中數(shù)量/引用數(shù)量芝囤。

8.2 命中率

??命中的內(nèi)存引用比率。它等于：

8.3 命中時(shí)間

??從高速緩存?zhèn)魉鸵粋€(gè)字到CPU所需的時(shí)間辛萍，包括組選擇悯姊、行確認(rèn)和字選擇的時(shí)間。一般來(lái)講贩毕，L1緩存的命中時(shí)間為：4個(gè)時(shí)鐘悯许。L2緩存的命中時(shí)間為：10個(gè)時(shí)鐘。

8.4 未命中懲罰

??未命中需要的額外時(shí)間辉阶。對(duì)于主存來(lái)說(shuō)岸晦，一般為 50 ~ 200個(gè)時(shí)鐘周期。

舉個(gè)例子：

假設(shè)緩存命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期睛藻，緩存未命中懲罰為100個(gè)時(shí)鐘周期启上。

下面計(jì)算下97%緩存命中率和99%的緩存命中率的平均訪問時(shí)間為多少？計(jì)算公式為命中時(shí)間加上未命中處罰乘以百分系數(shù)。

97%的命中率： $1 + 0.03 \times 100 = 4$ 時(shí)鐘。

99%的命中率： $1 + 0.01 \times 100 = 2$ 時(shí)鐘涌矢。

 結(jié)論：命中率增加2%，平均訪問時(shí)間減少了50%包券。

9. 總結(jié)

??計(jì)算機(jī)中存在著各種各樣的緩存，比如炫贤， 文件緩存 把一些需要高速存取的變量緩存在內(nèi)存中溅固，每次訪問直接讀出即可。 瀏覽器緩存 根據(jù)一套與服務(wù)器約定的規(guī)則進(jìn)行工作兰珍，如果在瀏覽過程中前進(jìn)或后退時(shí)訪問到同一個(gè)圖片侍郭，這些圖片可以從瀏覽器緩存中調(diào)出而即時(shí)顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)緩存 經(jīng)常需要從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢的數(shù)據(jù)、或經(jīng)常更新的數(shù)據(jù)放入到緩存中亮元，這樣下次查詢時(shí)猛计，直接從緩存直接返回，減輕數(shù)據(jù)庫(kù)壓力爆捞。

??我們了解這么多基本概念有什么用呢奉瘤？如果我們理解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何將數(shù)據(jù)在內(nèi)存中組織和移動(dòng)的，那么在寫程序時(shí)就可以把數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)在合適的位置煮甥，CPU能更快地訪問到它們盗温，提高程序的執(zhí)行效率。

??下一篇文章我們將介紹如何寫出高效的代碼成肘，讓程序運(yùn)行的更快卖局！ 歡迎關(guān)注我的公眾號(hào)，第一時(shí)間獲取更新艇劫！

??養(yǎng)成習(xí)慣吼驶，先贊后看惩激！如果覺得寫的不錯(cuò)店煞，歡迎關(guān)注，點(diǎn)贊风钻，在看顷蟀，轉(zhuǎn)發(fā)，謝謝骡技！

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最后編輯于：2021.02.06 18:04:21

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