cup缓存基础知识

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• cup缓存
• 缓存结构
• 直接映射缓存

cup缓存

CPU缓存(CPU Cache)的目的是为了提高访问内存(RAM)的效率，这虽然已经涉及到硬件的领域，但它仍然与我们息息相关，了解了它的一些原理，能让我们写出更高效的程序，另外在多线程程序中，一些不可思议的问题也与缓存有关。
现代多核处理器，一个CPU由多个核组成，每个核又可以有多个硬件线程，比如我们说4核8线程，就是指有4个核，每个核2个线程，这在OS看来就像8个并行处理器一样。
CPU缓存有多级缓存，比如L1, L2, L3等：
L1容量最小，速度最快，每个核都有L1缓存，L1又专门针对指令和数据分成L1d(数据缓存),L1i(指令缓存)。
L2容量比L1大，速度比L1慢，每个核都有L2缓存。
L3容量最大，速度最慢，多个核共享一个L3缓存。
有些CPU可能还有L4缓存，不过不常见；此外还有其他类型的缓存，比如TLB(translation lookaside buffer)，用于物理地址和虚拟地址转译，这不是我们关心的缓存。

下图展示了缓存和CPU的关系：

Linux用下面命令可以查看CPU缓存的信息：

[root@sg-14 ~]# getconf -a | grep CACHE
LEVEL1_ICACHE_SIZE                 32768
LEVEL1_ICACHE_ASSOC                8
LEVEL1_ICACHE_LINESIZE             64
LEVEL1_DCACHE_SIZE                 32768
LEVEL1_DCACHE_ASSOC                8
LEVEL1_DCACHE_LINESIZE             64
LEVEL2_CACHE_SIZE                  262144
LEVEL2_CACHE_ASSOC                 4
LEVEL2_CACHE_LINESIZE              64
LEVEL3_CACHE_SIZE                  6291456
LEVEL3_CACHE_ASSOC                 12
LEVEL3_CACHE_LINESIZE              64
LEVEL4_CACHE_SIZE                  0
LEVEL4_CACHE_ASSOC                 0
LEVEL4_CACHE_LINESIZE              0

上面显示CPU只有2级缓存，L3,L4都为0。
L1的数据缓存和指令缓存分别是32KB；L2为2048KB,L3位6MB。
在缓存和主存之间，数据是按固定大小的块传输的 该块称为缓存行(cache line)，这里显示每行的大小为64Bytes。
ASSOC表示主存地址映射到缓存的策略，这里L1，L2是8路组相联，L3是12路组相联，等一会儿再说是什么意思。

缓存结构

一块CPU缓存可以看成是一个数组，数组元素是缓存项(cache entry)，一个缓存项的内容大概是这样的：

    +-------------------------------------------+
    |  tag  |   data block(cache line) |  flag  |
    +-------------------------------------------+

data block就是从内存中拷贝过来的数据，也就是我们说的cache line，从上面信息可知大小是64字节。
tag 保存了内存地址的一部分，是用来验证是否缓存命中的。
flag 是一些标志位，比如缓存是否失效，写dirty等等。
实际上LEVEL1_ICACHE_SIZE这个数据，是用data block来算的，并不包括tag和flag占用的大小，比如64 x 512 = 32768，表示LEVEL1_ICACHE_SIZE可以缓存512个cache line。

缓存首先要解决的问题是：怎么映射内存地址和缓存地址？比如CPU要检查一个内存值是否已经缓存，那么它首先要能算出这个内存地址对应的缓存地址，然后才能检查。

为了解决这个问题，缓存将一个内存地址分成下面几个部分：

    +-------------------------------------------+
    |  tag                | index    | offset   |
    +-------------------------------------------+

tag和缓存项中的tag对应，用来验证是否缓存命中的。
index 缓存项数组中的索引。
offset 缓存块(cache line)中的偏移，因为缓存块是64字节，而内存值可能只有4个字节，一个缓存块可以保存多个连续的内存值。这个offset实际上就是指明内存值在cache line中的位置。

直接映射缓存

现在我们举一个具体的例子，说明内存和缓存是如何映射的：

• 假如缓存的大小是32768B(32KB)，缓存块大小是64B，那么缓存项数组就有‭ 32768‬/64=512 个。

• CPU要访问一个内存地址0x1CAABBDD‬，它首先检查这个内存地址是否在缓存中，检查过程是这样的：

• 内存地址的二进制形式是(低位在前面)：

     |     tag                         |     index       | offset    |
      0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1
  

先计算内存在cache line中的偏移，因为缓存块是64字节，那么offset需要占6位(2^6=64)，即offset=011101=29。
接着要计算缓存项的索引，因为缓存项数组是512个，所以index需要占9位(2^9=512)，即index=011101111=239。
现在我们通过offset和index已经找到缓存块的具体位置了，但是因为内存要远比缓存大很多，所以多个内存块是可以映射到同一个位置的，怎么判断这个缓存块位置存的就是这个内存的值呢？答案就是tag：内存地址去掉index和offset的部分，剩下的就是tag=00011100101010101=0x3955。
通过index找到缓存项，比较缓存项中的tag是否与内存地址中的tag相同，如果相同表示命中，就直接取缓存块中的值；如果不同表示未命中，CPU需要将内存值拷贝到缓存(替换掉老的)。
这种映射方式就称为直接映射(Direct mapped)，它的缺点就是多个内存地址会映射到同一个缓存地址，拿上面的内存地址来看，只要offset和index相同的内存地址，就一定会映射到同一个地方，比如：
00011100101010100 011101111 011101
00011100101010110 011101111 011101
00011100101010111 011101111 011101
如果同时访问上面3个地址，就会一直替换缓存的值，也就是一直出现缓存冲突，这可能比没有缓存还要慢，因为除了访问内存外，还多一个拷贝内存值到缓存的操作。