cup缓存基础知识
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。
cup缓存基础知识的更多相关文章
- Django中的缓存基础知识
由于Django是动态网站,所有每次请求均会去数据进行相应的操作,当程序访问量大时,耗时必然会更加明显,最简单解决方式是使用:缓存,缓存将一个某个views的返回值保存至内存或者memcache中,5 ...
- 老司机带你玩转面试(1):缓存中间件 Redis 基础知识以及数据持久化
引言 今天周末,我在家坐着掐指一算,马上又要到一年一度的金九银十招聘季了,国内今年上半年受到 YQ 冲击,金三银四泡汤了,这就直接导致很多今年毕业的同学会和明年毕业的同学一起参加今年下半年的秋招,这个 ...
- 【Java虚拟机4】Java内存模型(硬件层面的并发优化基础知识--缓存一致性问题)
前言 今天学习了Java内存模型第一课的视频,讲了硬件层面的知识,还是和大学时一样,醍醐灌顶.老师讲得太好了. Java内存模型,感觉以前学得比较抽象.很繁杂,抽象. 这次试着系统一点跟着2个老师学习 ...
- JVM 基础知识
JVM 基础知识(GC) 2013-12-10 00:16 3190人阅读 评论(1) 收藏 举报 分类: Java(49) 目录(?)[+] 几年前写过一篇关于JVM调优的文章,前段时间拿出来看了看 ...
- .NET面试题系列[1] - .NET框架基础知识(1)
很明显,CLS是CTS的一个子集,而且是最小的子集. - 张子阳 .NET框架基础知识(1) 参考资料: http://www.tracefact.net/CLR-and-Framework/DotN ...
- Java基础知识(壹)
写在前面的话 这篇博客,是很早之前自己的学习Java基础知识的,所记录的内容,仅仅是当时学习的一个总结随笔.现在分享出来,希望能帮助大家,如有不足的,希望大家支出. 后续会继续分享基础知识手记.希望能 ...
- IOS开发基础知识碎片-导航
1:IOS开发基础知识--碎片1 a:NSString与NSInteger的互换 b:Objective-c中集合里面不能存放基础类型,比如int string float等,只能把它们转化成对象才可 ...
- TCP/IP协议(一)网络基础知识
参考书籍为<图解tcp/ip>-第五版.这篇随笔,主要内容还是TCP/IP所必备的基础知识,包括计算机与网络发展的历史及标准化过程(简述).OSI参考模型.网络概念的本质.网络构建的设备等 ...
- Oracle数据库基础知识
oracle数据库plsql developer 目录(?)[-] 一 SQL基础知识 创建删除数据库 创建删除修改表 添加修改删除列 oracle cascade用法 添加删除约束主键外 ...
随机推荐
- 为何数据库连接池不采用IO多路复用?
今天我们聊一个不常见的 Java 面试题:为什么数据库连接池不采用 IO 多路复用? 这是一个非常好的问题.IO多路复用被视为是非常好的性能助力器.但是一般我们在使用 DB 时,还是经常性采用c3 ...
- windows 安装 kalfka 并快速启动
1.安装Java 环境 https://www.java.com/zh_CN/ 直接下载安装即可 (如果之前有配置过java环境 可以先跳过此步骤,但是如果运行的时候报错就需要把之前的jdk环境变量删 ...
- lab_0 清华大学ucore实验环境配置详细步骤!(小白入)
实验步骤 1.下载项目 从github上 的https://github.com/kiukotsu/ucore下载 ucore lab实验: git clone https://github.com/ ...
- Docker 日志管理最佳实践
开源Linux 回复"读书",挑选书籍资料~ Docker-CE Server Version: 18.09.6 Storage Driver: overlay2 Kernel V ...
- re模块,正则表达式起别名和分组机制,collections模块,time与datetime模块,random模块
re模块和正则表达式别名和分组机制 命名分组 (1)分组--可以让我们从文本内容中提取指定模式的部分内容,用()来表示要提取的分组,需要注意的是分组 是在整个文本符合指定的正则表达式前提下进行的进一步 ...
- jenkins插件Role-based添加账号后显示红色"No type prefix"
jenkins插件Role-based添加账号save后,前面显示红色"No type prefix",不影响使用. 查了下原因,网上很少正解,我这里记录下正确的方法: 添加用户: ...
- H5如何实现唤起APP
前言 写过hybrid的同学,想必都会遇到这样的需求,如果用户安装了自己的APP,就打开APP或跳转到APP内某个页面,如果没安装则引导用户到对应页面或应用商店下载.这里就涉及到了H5与Native之 ...
- mybatis plus 更新字段的时候设置为 null 后不生效
mybatis plus 将属性设置为 null 值会被忽略,最终生成的 sql 中不会有 set field = null(可能是某些情况) mybatis-plus 更新字段的时候设置为 null ...
- unity---2d游戏杂记
2d游戏制作的笔记 save Layout 增加配置 Packges文件夹 插件 调整视野 鼠标中键 拉近拉远 鼠标右键 平移 Alt+鼠标左键 移动视角 Pivot/Center 当前物体中心和多个 ...
- (十二).NET6 + React :升级!升级!还是***升级!!!+ IdentityServer4实战
一.前言 此篇内容较多,我是一步一个脚印(坑),以至于写了好久,主要是这几部分:后台升级 .NET6 VS2022.前台升级Ant Design Pro V5 .前后台联调 IdentityServ ...