cpu緩存的作用及原理是什么

作者：程序員小x

CPU高速緩存集成于CPU的內部，其是CPU可以高效運行的成分之一，本文圍繞下面三個話題來講解CPU緩存的作用：

為什么需要高速緩存？

高速緩存的內部結構是怎樣的？

如何利用好cache，優化代碼執行效率？

為什么需要高速緩存？

在現代計算機的體系架構中，為了存儲數據，引入了下面一些元件

1.CPU寄存器

2.CPU高速緩存

3.內存

4.硬盤

從1->4,速度越來越慢，價格越來越低，容量越來越大。這樣的設計使得一臺計算機的價格會處于一個合理的區間，使得計算機可以走進千家萬戶。

由于硬盤的速度比內存訪問慢，因此我們在開發應用軟件時，經常會使用redis/memcached這樣的組件來加快速度。

而由于CPU和內存速度的不同，于是產生了CPU高速緩存。

下面這張表反應了CPU高速緩存和內存的速度差距。

存儲器類型	時鐘周期
L1 cache	4
L2 cache	11
L3 cache	24
內存	167

通常cpu內有3級緩存，即L1、L2、L3緩存。其中L1緩存分為數據緩存和指令緩存，cpu先從L1緩存中獲取指令和數據，如果L1緩存中不存在，那就從L2緩存中獲取。每個cpu核心都擁有屬于自己的L1緩存和L2緩存。如果數據不在L2緩存中，那就從L3緩存中獲取。而L3緩存就是所有cpu核心共用的。如果數據也不在L3緩存中，那就從內存中獲取了。當然，如果內存中也沒有那就只能從硬盤中獲取了。

對這樣的分層概念有了了解之后，就可以進一步的了解高速緩存的內部細節。

高速緩存的內部結構

CPU Cache 在讀取內存數據時，每次不會只讀一個字或一個字節，而是一塊塊地讀取，這每一小塊數據也叫CPU 緩存行（CPU Cache Line）。這也是對局部性原理的運用，當一個指令或數據被拜訪過之后，與它相鄰地址的數據有很大概率也會被拜訪，將更多或許被拜訪的數據存入緩存，可以進步緩存命中率。

cache line 又分為多種類型，分別為直接映射緩存，多路組相連緩存，全相連緩存。

下面依次介紹。

直接映射緩存

直接映射緩存會將一個內存地址固定映射到某一行的cache line。

其思想是將一個內存地址劃分為三塊，分別是Tag, Index，Offset(這里的內存地址指的是虛擬內存)。將cacheline理解為一個數組，那么通過Index則是數組的下標，通過Index就可以獲取對應的cache-line。再獲取cache-line的數據后，獲取其中的Tag值，將其與地址中的Tag值進行對比，如果相同，則代表該內存地址位于該cache line中，即cache命中了。最后根據Offset的值去data數組中獲取對應的數據。整個流程大概如下圖所示：

下面是一個例子，假設cache中有8個cache line，

對于直接映射緩存而言，其內存和緩存的映射關系如下所示：

從圖中我們可以看出，0x00,0x40,0x80這三個地址，其地址中的index成分的值是相同的，因此將會被加載進同一個cache line。

試想一下如果我們依次訪問了0x00，0x40，0x00會發生什么？

當我們訪問0x00時，cache miss，于是從內存中加載到第0行cache line中。當訪問0x40時，第0行cache line中的tag與地址中的tag成分不一致，因此又需要再次從內存中加載數據到第0行cache line中。最后再次訪問0x00時，由于cache line中存放的是0x40地址的數據，因此cache再次miss。可以看出在這個過程中，cache并沒有起什么作用，訪問了相同的內存地址時，cache line并沒有對應的內容，而都是從內存中進行加載。

這種現象叫做cache顛簸（cache thrashing）。針對這個問題，引入多路組相連緩存。下面一節將講解多路組相連緩存的工作原理。

多路組相連緩存

多路組相連緩存的原理相比于直接映射緩存復雜一些，這里將以兩路組相連這種場景來進行講解。

所謂多路就是指原來根據虛擬的地址中的index可以唯一確定一個cache line，而現在根據index可以找到多行cache line。而兩路的意思就是指通過index可以找到2個cache line。在找到這個兩個cache line后，遍歷這兩個cache line，比較其中的tag值，如果相等則代表命中了。

下面還是以8個cache line的兩路緩存為例，假設現在有一個虛擬地址是0000001100101100,其tag值為0x19，其index為1，offset為4。那么根據index為1可以找到兩個cache line，由于第一個cache line的tag為0x10,因此沒有命中，而第二個cache line的tag為0x19，值相等，于是cache命中。

對于多路組相連緩存而言，其內存和緩存的映射關系如下所示：

由于多路組相連的緩存需要進行多次tag的比較，對于比直接映射緩存,其硬件成本更高，因為為了提高效率，可能會需要進行并行比較，這就需要更復雜的硬件設計。

另外，如何cache沒有命中，那么該如何處理呢？

以兩路為例，通過index可以找到兩個cache line，如果此時這兩個cache line都是處于空閑狀態，那么cache miss時可以選擇其中一個cache line加載數據。如果兩個cache line有一個處于空閑狀態，可以選擇空閑狀態的cache line 加載數據。如果兩個cache line都是有效的，那么則需要一定的淘汰算法，例如PLRU/NRU/fifo/round-robin等等。

這個時候如果我們依次訪問了0x00，0x40，0x00會發生什么？

當我們訪問0x00時，cache miss，于是從內存中加載到第0路的第0行cache line中。當訪問0x40時，第0路第0行cache line中的tag與地址中的tag成分不一致，于是從內存中加載數據到第1路第0行cache line中。最后再次訪問0x00時，此時會訪問到第0路第0行的cache line中，因此cache就生效了。由此可以看出，由于多路組相連的緩存可以改善cache顛簸的問題。

全相連緩存

從多路組相連，我們了解到其可以降低cache顛簸的問題，并且路數量越多，降低cache顛簸的效果就越好。那么是不是可以這樣設想，如果路數無限大，大到所有的cache line都在一個組內，是不是效果就最好？基于這樣的思想，全相連緩存相應而生。

下面還是以8個cache line的全相連緩存為例，假設現在有一個虛擬地址是0000001100101100,其tag值為0x19，offset為4。依次遍歷，直到遍歷到第4行cache line時，tag匹配上。

全連接緩存中所有的cache line都位于一個組(set)內，因此地址中將不會劃出一部分作為index。在判斷cache line是否命中時，需要遍歷所有的cache line，將其與虛擬地址中的tag成分進行對比，如果相等，則意味著匹配上了。因此對于全連接緩存而言，任意地址的數據可以緩存在任意的cache line中，這可以避免緩存的顛簸，但是與此同時，硬件上的成本也是最高。

如何利用緩存寫出高效率的代碼？

看下面這個例子，對一個二維數組求和時，可以進行按行遍歷和按列遍歷，那么哪一種速度會比較快呢？

const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍歷
int sum_row = 0;
for (int r = 0; r < row; r++) {
    for (int c = 0; c < col; c++) {
        sum_row += matrix[r][c];
    }
}

//按列遍歷
int sum_col = 0;
for (int c = 0; c < col; c++) {
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        sum_col += matrix[r][c];
    }
}

我們分別編寫下面的測試代碼，首先是按行遍歷的時間：

#include 
#include 
const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍歷
int main(){
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            matrix[r][c] = r+c;
        }
    }
    auto start = std::now();
    
    //按行遍歷
    int sum_row = 0;
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            sum_row += matrix[r][c];
        }
    }

    auto finish = std::now();
    auto duration = std::duration_cast(finish - start);
    std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;
}

標準輸出打印了：2ms

接著是按列遍歷的測試代碼：

#include 
#include 
const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍歷
int main(){
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            matrix[r][c] = r+c;
        }
    }
    auto start = std::now();
    
    //按列遍歷
    int sum_col = 0;
    for (int c = 0; c < col; c++) {
        for (int r = 0; r < row; r++) {
            sum_col += matrix[r][c];
        }
    }

    auto finish = std::now();
    auto duration = std::duration_cast(finish - start);
    std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;
}

標準輸出打印了：8ms

答案很明顯了，按行遍歷速度比按列遍歷快很多。

原因就是按行遍歷時，在訪問matrix[r][c]時，會將后面的一些元素一并加載到cache line中，那么后面訪問matrix[r][c+1]和matrix[r][c+2]時就可以命中緩存，這樣就可以極大的提高緩存訪問的速度。

如下圖所示，在訪問matrix[0][0]時，matrix[0][1]，matrix[0][2]，matrix[0][2]也被加載進了高速緩存中，因此隨后遍歷時就可以用到緩存。