入职后，我才明白什么叫Cache

前言

我第一次接触到“cache”这个概念是在大学学习计算机组成原理课程时。那门课程太过理论和底层，我的理解并不深刻，考试结束后，我几乎完全忘记了这些知识。

然而，当我刚刚步入职场，我竟然需要运用到关于cache的知识。事情是这样的：当时我的领导交给了我一个任务，要求我进行硬件性能监视。在使用性能监视工具 perf 的过程中，当我输入命令 perf list 时，我看到了以下信息：

我的任务就要让这些cache事件能够正常计数，但关键是，我根本不知道这些misses、loads是什么意思。

我只知道它们都是cache，但这几个名字十分类似，又有什么区别？

出于此，当时我觉得我有必要去学一下cache的知识了，我对cache、性能等的了解也因此开始。

下面是我当时学习cache总结的一些基本概念知识，对于不了解底层或者不了解cache的人，相信都会有帮助。

基本上是以问答的方式引导大家，因为我曾经也是一堆疑问走过来的。

1、什么是Cache？

首先我们要知道，cpu访问内存，不是直接访问的，而是需要先经过Cache，为什么呢？

原因：cpu内的数据是存储在寄存器中，访问寄存器的速度很快，但是寄存器容量小。而内存容量大，但是速度慢。为了解决cpu和内存之间速度和容量的问题，引入了高速缓存Cache。

 

Cache位于CPU和主存之间，CPU访问主存时，首先去访问Cache，看Cache中有没有这个数据，如果有，就从Cache中拿数据返回给CPU；如果Cache里没有数据，再去访问主存。

2、多级Cache存储结构

通常来说，Cache不止一个，而是有多个，即多级Cache，为什么呢？

原因：cpu访问cache速度也是很快的。但是我们做不到速度和容量完全兼容，如果cpu访问cache的速度跟cpu访问寄存器的速度差不多，那么就意味着这个cache速度很快，但是容量很小，这么小的cache容量还不足够满足我们的需求，因此引入了多级Cache。

多级Cache将Cache分成多个级别L1、L2、L3等。

• 按照速度快慢，依次是L1>L2>L3。
• 按照存储容量大小，依次是L3>L2>L1。

L1最靠近CPU，L3最靠近主存。

通常L1又分为instruction cache（ICache）和data cache（DCache），并且L1 cache是cpu私有的，每个cpu都有一个L1 cache。

3、“命中”和“缺失”是什么意思？

命中：CPU要访问的数据在cache中有缓存，称为“命中”，即cache hit

缺失：CPU要访问的数据在cache中没有缓存，称为“缺失”，即cache miss

4、什么是cache line？

cache line：高速缓存行，将cache平均分成相等的很多块，每一个块大小称之为cache line。

cache line也是cache和主存之间数据传输的最小单位.

 

当CPU试图load一个字节数据的时候，如果cache缺失，那么cache控制器会从主存中一次性的load cache line大小的数据到cache中。例如，cache line大小是8字节。CPU即使读取一个byte，在cache缺失后，cache会从主存中load 8字节填充整个cache line。

CPU访问cache时的地址编码，通常由tag、index和offset三部分组成：

• tag（标记域）：用于判断cache line缓存的数据的地址是否和处理器寻址地址一致。

– index（索引域）：用于索引和查找地址在高速缓存中的哪一行

• offset（偏移量）：高速缓存行中的偏移量。可以按字或字节来寻址高速缓存行的内容

cache line和tag、index、offset等的关系如图：

5、cache访问的是虚拟地址还是物理地址？

我们知道，CPU访问内存不是直接访问的，而是CPU发出一个虚拟地址，然后经过MMU转换为物理地址后，根据物理地址从内存取数据。那么cache访问的是虚拟地址还是物理地址？

 

答：不一定。既可以是虚拟地址，也可以是物理地址，也可以是虚拟地址和物理地址的组合。

因为cache在硬件设计上有多种组织方式：

• VIVT虚拟高速缓存：虚拟地址的index，虚拟地址的tag。
• PIPT物理高速缓存：物理地址的index，物理地址的tag。
• VIPT物理标记的虚拟高速缓存：虚拟地址的index，物理地址的tag。

6、什么是歧义和别名问题？

歧义（homonyms）：相同的虚拟地址对应不同的物理地址

别名（alias）：多个虚拟地址映射到了相同的物理地址（多个虚拟地址被称为别名）。

例如上述VIVT方式就会存在别名问题，那VIVT、PIPT和VIPT那个方式更好呢？

PIPT其实是比较理想的，因为index和tag都使用了物理地址，软件层面不需要任何维护就能避免歧义和别名问题。

VIPT的tag使用了物理地址，所以不存在歧义问题，但index是虚拟地址，所以可能也存在别名问题。

而VIVT的方式，歧义和别名问题都存在。

实际上，现在硬件中使用的基本是PIPT或者VIPT。VIVT问题太多，已经成为了历史了，不会有人用。另外PIVT的方式是不存在的，因为它只有缺点没有优点，不仅速度慢，歧义和别名问题也都存在。

 

cache的组织方式，以及歧义和别名问题，是比较大块的内容。这里只需要知道cache访问的地址既可以是虚拟地址，也可以是物理地址，也可以是虚拟地址和物理地址的组合。并且不同的组织方式会有歧义和别名问题。

7、Cache分配策略？

指的是发生cache miss时，cache如何分配。

读分配：当CPU读数据时，发生cache缺失，这种情况下都会分配一个cache line缓存从主存读取的数据。默认情况下，cache都支持读分配。

写分配：当CPU写数据发生cache缺失时，才会考虑写分配策略。当我们不支持写分配的情况下，写指令只会更新主存数据，然后就结束了。当支持写分配的时候，我们首先从主存中加载数据到cache line中（相当于先做个读分配动作），然后会更新cache line中的数据。

8、Cache更新策略？

指的是cache命中时，写操作应该如何更新数据。

写直通：当CPU执行store指令并在cache命中时，我们更新cache中的数据并且更新主存中的数据。cache和主存的数据始终保持一致。

写回：当CPU执行store指令并在cache命中时，我们只更新cache中的数据。并且每个cache line中会有一个bit位记录数据是否被修改过，称之为dirty bit。我们会将dirty bit置位。主存中的数据只会在cache line被替换或者显示的clean操作时更新。因此，主存中的数据可能是未修改的数据，而修改的数据躺在cache中。cache和主存的数据可能不一致。

最后

关于cache的内容，还有TLB、MESI、内存一致性模型等等，是一个需要沉淀和总结才能真正掌握的东西。

但可能很多人都用不上，只有涉及到性能问题，当你需要提高cache命中率时，才知道这些知识的重要性。

关于本文讲的知识，总结了一份cache基础知识的思维导图：

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