cache写策略 操作系统

cache写策略 操作系统

在计算机系统中，为了提高数据的响应速度在CPU内置了cache，用来提高CPU和主存的交互。以下主要是对cache的理解。

1、cache写策略

cache是主存里数据的副本。cache的写策略，又分为两种：

• 写直达
• 写回

1.写直达

• 如果数据已经在Cache里，就更新到Cache Block，再写到内存里；
• 否则的话就把直接更新到内存中，读的时候直接读取内存；

写直达简单、直观，但是性能不高。

2.写回

• 写命中：CPU直接将数据写入到Cache Block中，将该Cache Block的脏位设置为1，表示该数据已经被修改，但主存中的对应数据尚未更新，可以减少不必要的写操作。
• 写未命中
  • Cache Block为脏：在新数据写入缓存前，先将脏的Cache Block中的旧数据写回主存，以确保主存中保存最新的数据。然后将要写入的数据从主存中读取到Cache Block，并将新数据写入该块，将脏位设置为1，标记数据已被修改。
  • Cache Block不为脏：直接将需要的数据从主存载入到Cache Block，并写入新的数据。同样，将脏位设置为1，表示数据已修改，但主存中尚未更新。

在写回机制中，新的数据仅仅被写入到Cache Block里，只有当修改过的Cache Block被替换时才需要写到内存中。

Cache机制就是为了让CPU在处理数据时不总是访问主存，尽可能从更靠近CPU的存储位置获取数据。

2、缓存一致性

问题：在一个多核的CPU中，比如四核的CPU，我在1号核心执行i++，但是2号核心使用i的时候是0，这表示了在一号核心计算后的结果并未同步到其他核心，那么就会导致执行结果错误。

• CPU核心的Cache数据同步问题
• CPU核心的数据操作顺序问题

对于第一个问题，解决方法就是写传播的方式，当某个CPU核心更新了Cache里的数据，就把该事件广播到其他核心。

那么这个方法就是总线嗅探。

1.总线嗅探

每个CPU都会监听总线上的广播事件，及时更新自己Cache的数据，但是不能保证操作数据的顺序。所以又有基于总线嗅探的协议MESI协议。

2.MESI协议

• Modified：已修改
  • 该缓存行中的数据已被修改，与主存中的数据不一致，且该数据只存在于当前缓存中。如果其他核心需要该数据，需要先将其写回主存。
• Exclusive：独占
  • 该缓存行中的数据与主存一致，且只存在于当前缓存中。如果当前核心修改了该数据，则状态将转变为Modified。
• Shared：共享
  • 该缓存行中的数据与主存一致，且该数据可能存在于多个缓存中。可以被读取，但如果要修改，需要先通知其他核心，使其无效。
• Invalidated：已失效
  • 该缓存行中的数据无效，不可使用。如果当前核心需要访问此数据，则需要从其他缓存或主存中重新加载。

MESI协议状态转换行为表