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常用名词
Allocation 分配Eviction 驱逐分配策略和更新策略分别为当产生Cache miss和Cache hit的时候数据流的具体行为
1 Cache分配策略#xff08;Cache Allocation Policy#xff09;
Cache的分配策略是指不同情况下为数据分配Cache Line的不同行为。Cac…Cache的数据流
常用名词
Allocation 分配Eviction 驱逐分配策略和更新策略分别为当产生Cache miss和Cache hit的时候数据流的具体行为
1 Cache分配策略Cache Allocation Policy
Cache的分配策略是指不同情况下为数据分配Cache Line的不同行为。Cache分配策略分为读和写两种情况。分配一般都是发生在miss 情况下因为hit的时候直接进行读写即可
1.1 读分配Read Allocation
发生条件 CPU读数据所需读取数据Cache缺失
数据流操作 从主存读取数据分配对应Cache Line空间进行缓存
备注 默认情况下Cache都支持读分配
1.2 写分配Write Allocation
发生条件 CPU写数据所写数据对应地址Cache缺失
数据流操作
当不支持写分配时写指令直接写入主存只会更新主存数据当支持写分配时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
2 Cache更新策略Cache Update Policy
Cache更新策略是指当发生Cache命中时写操作应该如何更新数据。Cache更新策略分成两种写直通和回写。
2.1 写直通Write Through
发生条件 当CPU执行store指令并在Cache命中时
数据流操作 更新Cache中的数据并且更新主存中的数据
备注 Cache和主存的数据始终保持一致
2.2 写回Write Back
发生条件 当CPU执行store指令并在Cache命中时
数据流操作
只更新Cache中的数据将dirty bit置位每个Cache Line中会有一个bit位记录数据是否被修改过称之为dirty bit前文的图片中Cache Line旁边有一个D就是dirty bit。在Cache Line被替换或者显示的clean操作时主存中的数据才会进行更新。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。
备注 Cache和主存的数据可能不一致
为什么Cache Line大小是Cache控制器和主存之间数据传输的最小单位呢 因为每个Cache Line只有一个dirty bit。这一个dirty bit代表着整个Cache Line是否被修改的状态。 实例
假设有如下Cache
Cache Size 128 ByteCache Line Size 8 ByteWay1 直接映射缓存策略写分配和写回机制Tag Array中Tag旁边Valid位是否合法1代表合法0代表非法。Data Array中dataCache Line旁边的Dirty位是否脏可以理解为是否与主存不一样1代表dirtyCache中更新过数据0代表没有写过数据即非dirty与主存一致
行为1当CPU从地址0x0654读取1个字节Cache表现如下 根据Index找到对应的Cache Line图中用绿色表示选中的Cache Line对应的Tag部分valid bit是合法的Tag 为 1如果为不合法的话可以直接刷掉合法且Tag的值不相等因此判断发生缺失此时需要从地址0x0650地址请注意Cache Line大小对齐加载16 Byte数据到该Cache Line中但是发现当前Cache Line的dirty bit置位。因此Cache Line里面的数据不能被简单的丢弃由于采用写回机制所以需要将Cache Line中的数据0xFF…FF写回他应该在的主存地址以Cache Line中的Tag为000001111Index为101offset为0因为需要Cache Line大小对齐所以地址为0000,0111,1101,0000即为0x07D0 当写回操作完成将主存中0x0650地址开始的16个字节0x00…00加载到该Cache Line中并清除dirty bit。然后根据offset找到0x0654返回给CPU 2 Cache 逐出策略 Cache Cache Eviction Policy
缓存逐出策略
2.1 LRULeast Recently Used最久没有使用的优先剔除
假设条件 最近最少使用的那些信息将来被使用的概率也不大所以在容量有限的情况下就可以把这些不常用的信息踢出去腾地方。认为最近用到的信息以后用到的概率会更大
逐出条件 把很久没有用过的信息踢出去也就是 Least Recently Used 的信息被踢出去
备注 这个是最常用的逐出策略
2.2 FIFOFirst In First Out先进先出
假设条件 最先进入Cache的最先被用完之后被使用的概率低
逐出条件 把最先进入Cache的数据优先剔除认为他们被优先用完了
2.3 LFULeast Frequently Used)最低频被使用的优先剔除
假设条件 越是不常用的用的数据之后使用到的概率越大
逐出条件 计算每个信息的访问次数踢走访问次数最少的那个如果访问次数一样就踢走好久没用过的那个
备注 这个算法其实很高效但是耗资源所以一般不用
Note
Tag Array 存储在硬件 Cache 里占用真实 Cache 内存。但是我们提到 Cache Size 的时候并没有考虑 Tag 的占用。所以计算时请忽略 Tag 占用。
参考文献
Cache的基本原理 - 知乎 LRU Cache_cache age lru-CSDN博客
