底层原理深入理解Cache （上）

Posted 2021-01-12 linhaostudy

存储器是分层次的，离CPU越近的存储器，速度越快，每字节的成本越高，同时容量也因此越小。寄存器速度最快，离CPU最近，成本最高，所以个数容量有限，其次是高速缓存（缓存也是分级，有L1，L2等缓存），再次是主存（普通内存），再次是本地磁盘。

寄存器的速度最快，可以在一个时钟周期内访问，其次是高速缓存，可以在几个时钟周期内访问，普通内存可以在几十个或几百个时钟周期内访问。

存储器分级，利用的是局部性原理。我们可以以经典的阅读书籍为例。我在读的书，捧在手里（寄存器），我最近频繁阅读的书，放在书桌上（缓存），随时取来读。当然书桌上只能放有限几本书。我更多的书在书架上（内存）。如果书架上没有的书，就去图书馆（磁盘）。我要读的书如果手里没有，那么去书桌上找，如果书桌上没有，去书架上找，如果书架上没有去图书馆去找。可以对应寄存器没有，则从缓存中取，缓存中没有，则从内存中取到缓存，如果内存中没有，则先从磁盘读入内存，再读入缓存，再读入寄存器。

本系列的文章重点介绍缓存cache。了解如何获取cache的参数，了解缓存的组织结构，了解cache对程序的影响，了解如何利用cache提升性能。

本文作为系列文章的第一篇，讲述的如何获取cache的组成结构和如何获取cache的参数。

cache分成多个组，每个组分成多个行，linesize是cache的基本单位，从主存向cache迁移数据都是按照linesize为单位替换的。比如linesize为32Byte，那么迁移必须一次迁移32Byte到cache。 这个linesize比较容易理解，想想我们前面书的例子，我们从书架往书桌搬书必须以书为单位，肯定不能把书撕了以页为单位。书就是linesize。当然了现实生活中每本书页数不同，但是同个cache的linesize总是相同的。

所谓8路组相连（ 8-way set associative）的含义是指，每个组里面有8个行。

我们知道，cache的容量要远远小于主存，主存和cache肯定不是一一对应的，那么主存中的地址和cache的映射关系是怎样的呢？

拿到一个地址，首先是映射到一个组里面去。如何映射？取内存地址的中间几位来映射。

举例来说，data cache: 32-KB, 8-way set associative, 64-byte line size表示Cache总大小为32KB，8路组相连（每组有8个line），每个line的大小linesize为64Byte,OK，我们可以很轻易的算出一共有32K/8/64=64 个组。

对于32位的内存地址，每个line有2^6 = 64Byte，所以地址的【0，5】区分line中的那个字节。一共有64个组。我们取内存地址中间6为来hash查找地址属于那个组。即内存地址的【6，11】位来确定属于64组的哪一个组。组确定了之后，【12，31】的内存地址与组中8个line挨个比对，如果【12，31】为与某个line一致，并且这个line为有效，那么缓存命中。

OK，cache分成三类：

1. 直接映射高速缓存，这个简单，即每个组只有一个line，选中组之后不需要和组中的每个line比对，因为只有一个line。
2. 组相联高速缓存，这个就是我们前面介绍的cache。 S个组，每个组E个line。
3. 全相联高速缓存，这个简单，只有一个组，就是全相联。不用hash来确定组，直接挨个比对高位地址，来确定是否命中。可以想见这种方式不适合大的缓存。想想看，如果4M 的大缓存

描述一个cache需要以下参数：

1. cache分级，L1 cache, L2 cache, L3 cache,级别越低，离ｃｐｕ越近
2. cache的容量
3. cache的linesize
4. cache 每组的行个数.

组的个数完全可以根据上面的参数计算出来,所以没有列出来.Intel手册中用这样的句子来描述cache:8-MB L3 Cache, 16-way set associative, 64-byte line size ，如何获取cache的参数呢,到了我们的老朋友cpuid指令,当eax为0x2的时候,cpuid指令获取到cache的参数. 下面给出代码:

我的电脑上运行结果如上图,查看intel的手册可知