今天探究的主題是cache。我們圍繞幾個問題展開。為什么需要cache？如何判斷一個數據在cache中是否命中？cache的種類有哪些，區別是什么？

我在知乎平臺發起了一個高速緩存專題，感興趣的可以關注。

為什么需要cache memory

在思考cache是什么之前我們首先先來思考第一個問題：我們的程序是如何運行起來的？我們應該知道程序是運行在 RAM之中，RAM 就是我們常說的DDR（例如 DDR3、DDR4等）。我們稱之為main memory（主存）當我們需要運行一個進程的時候，首先會從Flash設備（例如，eMMC、UFS等）中將可執行程序load到main memory中，然后開始執行。在CPU內部存在一堆的通用寄存器（register）。如果CPU需要將一個變量（假設地址是A）加1，一般分為以下3個步驟：

CPU 從主存中讀取地址A的數據到內部通用寄存器 x0（ARM64架構的通用寄存器之一）。

通用寄存器 x0 加1。

CPU 將通用寄存器 x0 的值寫入主存。

我們將這個過程可以表示如下：

其實現實中，CPU通用寄存器的速度和主存之間存在著太大的差異。兩者之間的速度大致如下關系：

CPU register的速度一般小于1ns，主存的速度一般是65ns左右。速度差異近百倍。因此，上面舉例的3個步驟中，步驟1和步驟3實際上速度很慢。當CPU試圖從主存中load/store 操作時，由于主存的速度限制，CPU不得不等待這漫長的65ns時間。如果我們可以提升主存的速度，那么系統將會獲得很大的性能提升。如今的DDR存儲設備，動不動就是幾個GB，容量很大。如果我們采用更快材料制作更快速度的主存，并且擁有幾乎差不多的容量。其成本將會大幅度上升。我們試圖提升主存的速度和容量，又期望其成本很低，這就有點難為人了。因此，我們有一種折中的方法，那就是制作一塊速度極快但是容量極小的存儲設備。那么其成本也不會太高。這塊存儲設備我們稱之為cache memory。在硬件上，我們將cache放置在CPU和主存之間，作為主存數據的緩存。 當CPU試圖從主存中load/store數據的時候， CPU會首先從cache中查找對應地址的數據是否緩存在cache 中。如果其數據緩存在cache中，直接從cache中拿到數據并返回給CPU。當存在cache的時候，以上程序如何運行的例子的流程將會變成如下：

CPU和主存之間直接數據傳輸的方式轉變成CPU和cache之間直接數據傳輸。cache負責和主存之間數據傳輸。

多級cache memory

cahe的速度在一定程度上同樣影響著系統的性能。一般情況cache的速度可以達到1ns，幾乎可以和CPU寄存器速度媲美。但是，這就滿足人們對性能的追求了嗎？并沒有。當cache中沒有緩存我們想要的數據的時候，依然需要漫長的等待從主存中load數據。為了進一步提升性能，引入多級cache。前面提到的cache，稱之為L1 cache（第一級cache）。我們在L1 cache 后面連接L2 cache，在L2 cache 和主存之間連接L3 cache。等級越高，速度越慢，容量越大。但是速度相比較主存而言，依然很快。不同等級cache速度之間關系如下：

經過3級cache的緩沖，各級cache和主存之間的速度最萌差也逐級減小。在一個真實的系統上，各級cache之間硬件上是如何關聯的呢？我們看下Cortex-A53架構上各級cache之間的硬件抽象框圖如下：

在Cortex-A53架構上，L1 cache分為單獨的instruction cache（ICache）和data cache（DCache）。L1 cache是CPU私有的，每個CPU都有一個L1 cache。一個cluster 內的所有CPU共享一個L2 cache，L2 cache不區分指令和數據，都可以緩存。所有cluster之間共享L3 cache。L3 cache通過總線和主存相連。

多級cache之間的配合工作

首先引入兩個名詞概念，命中和缺失。 CPU要訪問的數據在cache中有緩存，稱為“命中” (hit)，反之則稱為“缺失” (miss)。多級cache之間是如何配合工作的呢？我們假設現在考慮的系統只有兩級cache。

當CPU試圖從某地址load數據時，首先從L1 cache中查詢是否命中，如果命中則把數據返回給CPU。如果L1 cache缺失，則繼續從L2 cache中查找。當L2 cache命中時，數據會返回給L1 cache以及CPU。如果L2 cache也缺失，很不幸，我們需要從主存中load數據，將數據返回給L2 cache、L1 cache及CPU。這種多級cache的工作方式稱之為inclusive cache。某一地址的數據可能存在多級緩存中。與inclusive cache對應的是exclusive cache，這種cache保證某一地址的數據緩存只會存在于多級cache其中一級。也就是說，任意地址的數據不可能同時在L1和L2 cache中緩存。

直接映射緩存（Direct mapped cache）

我們繼續引入一些cache相關的名詞。cache的大小稱之為cahe size，代表cache可以緩存最大數據的大小。我們將cache平均分成相等的很多塊，每一個塊大小稱之為cache line，其大小是cache line size。例如一個64 Bytes大小的cache。如果我們將64 Bytes平均分成64塊，那么cache line就是1字節，總共64行cache line。如果我們將64 Bytes平均分成8塊，那么cache line就是8字節，總共8行cache line。現在的硬件設計中，一般cache line的大小是4-128 Byts。為什么沒有1 byte呢？原因我們后面討論。

這里有一點需要注意，cache line是cache和主存之間數據傳輸的最小單位。什么意思呢？當CPU試圖load一個字節數據的時候，如果cache缺失，那么cache控制器會從主存中一次性的load cache line大小的數據到cache中。例如，cache line大小是8字節。CPU即使讀取一個byte，在cache缺失后，cache會從主存中load 8字節填充整個cache line。又是因為什么呢？后面說完就懂了。

我們假設下面的講解都是針對64 Bytes大小的cache，并且cache line大小是8字節。我們可以類似把這塊cache想想成一個數組，數組總共8個元素，每個元素大小是8字節。就像下圖這樣。

現在我們考慮一個問題，CPU從0x0654地址讀取一個字節，cache控制器是如何判斷數據是否在cache中命中呢？cache大小相對于主存來說，可謂是小巫見大巫。所以cache肯定是只能緩存主存中極小一部分數據。我們如何根據地址在有限大小的cache中查找數據呢？現在硬件采取的做法是對地址進行散列（可以理解成地址取模操作）。我們接下來看看是如何做到的？

我們一共有8行cache line，cache line大小是8 Bytes。所以我們可以利用地址低3 bits（如上圖地址藍色部分）用來尋址8 bytes中某一字節，我們稱這部分bit組合為offset。同理，8行cache line，為了覆蓋所有行。我們需要3 bits（如上圖地址黃色部分）查找某一行，這部分地址部分稱之為index。現在我們知道，如果兩個不同的地址，其地址的bit3-bit5如果完全一樣的話，那么這兩個地址經過硬件散列之后都會找到同一個cache line。所以，當我們找到cache line之后，只代表我們訪問的地址對應的數據可能存在這個cache line中，但是也有可能是其他地址對應的數據。所以，我們又引入tag array區域，tag array和data array一一對應。每一個cache line都對應唯一一個tag，tag中保存的是整個地址位寬去除index和offset使用的bit剩余部分（如上圖地址綠色部分）。tag、index和offset三者組合就可以唯一確定一個地址了。因此，當我們根據地址中index位找到cache line后，取出當前cache line對應的tag，然后和地址中的tag進行比較，如果相等，這說明cache命中。如果不相等，說明當前cache line存儲的是其他地址的數據，這就是cache缺失。在上述圖中，我們看到tag的值是0x19，和地址中的tag部分相等，因此在本次訪問會命中。由于tag的引入，因此解答了我們之前的一個疑問“為什么硬件cache line不做成一個字節？”。這樣會導致硬件成本的上升，因為原本8個字節對應一個tag，現在需要8個tag，占用了很多內存。

我們可以從圖中看到tag旁邊還有一個valid bit，這個bit用來表示cache line中數據是否有效（例如：1代表有效；0代表無效）。當系統剛啟動時，cache中的數據都應該是無效的，因為還沒有緩存任何數據。cache控制器可以根據valid bit確認當前cache line數據是否有效。所以，上述比較tag確認cache line是否命中之前還會檢查valid bit是否有效。只有在有效的情況下，比較tag才有意義。如果無效，直接判定cache缺失。

上面的例子中，cache size是64 Bytes并且cache line size是8 bytes。offset、index和tag分別使用3 bits、3 bits和42 bits（假設地址寬度是48 bits）。我們現在再看一個例子：512 Bytes cache size，64 Bytes cache line size。根據之前的地址劃分方法，offset、index和tag分別使用6 bits、3 bits和39 bits。如下圖所示。

直接映射緩存的優缺點

直接映射緩存在硬件設計上會更加簡單，因此成本上也會較低。根據直接映射緩存的工作方式，我們可以畫出主存地址0x00-0x88地址對應的cache分布圖。

我們可以看到，地址0x00-0x3f地址處對應的數據可以覆蓋整個cache。0x40-0x7f地址的數據也同樣是覆蓋整個cache。我們現在思考一個問題，如果一個程序試圖依次訪問地址0x00、0x40、0x80，cache中的數據會發生什么呢？首先我們應該明白0x00、0x40、0x80地址中index部分是一樣的。因此，這3個地址對應的cache line是同一個。所以，當我們訪問0x00地址時，cache會缺失，然后數據會從主存中加載到cache中第0行cache line。當我們訪問0x40地址時，依然索引到cache中第0行cache line，由于此時cache line中存儲的是地址0x00地址對應的數據，所以此時依然會cache缺失。然后從主存中加載0x40地址數據到第一行cache line中。同理，繼續訪問0x80地址，依然會cache缺失。這就相當于每次訪問數據都要從主存中讀取，所以cache的存在并沒有對性能有什么提升。訪問0x40地址時，就會把0x00地址緩存的數據替換。這種現象叫做cache顛簸（cache thrashing）。針對這個問題，我們引入多路組相連緩存。我們首先研究下最簡單的兩路組相連緩存的工作原理。

兩路組相連緩存（Two-way set associative cache）

我們依然假設64 Bytes cache size，cache line size是8 Bytes。什么是路（way）的概念。我們將cache平均分成多份，每一份就是一路。因此，兩路組相連緩存就是將cache平均分成2份，每份32 Bytes。如下圖所示。

cache被分成2路，每路包含4行cache line。我們將所有索引一樣的cache line組合在一起稱之為組。例如，上圖中一個組有兩個cache line，總共4個組。我們依然假設從地址0x0654地址讀取一個字節數據。由于cache line size是8 Bytes，因此offset需要3 bits，這和之前直接映射緩存一樣。不一樣的地方是index，在兩路組相連緩存中，index只需要2 bits，因為一路只有4行cache line。上面的例子根據index找到第2行cache line（從0開始計算），第2行對應2個cache line，分別對應way 0和way 1。因此index也可以稱作set index（組索引）。先根據index找到set，然后將組內的所有cache line對應的tag取出來和地址中的tag部分對比，如果其中一個相等就意味著命中。

因此，兩路組相連緩存較直接映射緩存最大的差異就是：第一個地址對應的數據可以對應2個cache line，而直接映射緩存一個地址只對應一個cache line。那么這究竟有什么好處呢？

兩路組相連緩存優缺點

兩路組相連緩存的硬件成本相對于直接映射緩存更高。因為其每次比較tag的時候需要比較多個cache line對應的tag（某些硬件可能還會做并行比較，增加比較速度，這就增加了硬件設計復雜度）。為什么我們還需要兩路組相連緩存呢？因為其可以有助于降低cache顛簸可能性。那么是如何降低的呢？根據兩路組相連緩存的工作方式，我們可以畫出主存地址0x00-0x4f地址對應的cache分布圖。

我們依然考慮直接映射緩存一節的問題“如果一個程序試圖依次訪問地址0x00、0x40、0x80，cache中的數據會發生什么呢？”。現在0x00地址的數據可以被加載到way 1，0x40可以被加載到way 0。這樣是不是就在一定程度上避免了直接映射緩存的尷尬境地呢？在兩路組相連緩存的情況下，0x00和0x40地址的數據都緩存在cache中。試想一下，如果我們是4路組相連緩存，后面繼續訪問0x80，也可能被被緩存。

因此，當cache size一定的情況下，組相連緩存對性能的提升最差情況下也和直接映射緩存一樣，在大部分情況下組相連緩存效果比直接映射緩存好。同時，其降低了cache顛簸的頻率。從某種程度上來說，直接映射緩存是組相連緩存的一種特殊情況，每個組只有一個cache line而已。因此，直接映射緩存也可以稱作單路組相連緩存。

全相連緩存（Full associative cache）

既然組相連緩存那么好，如果所有的cache line都在一個組內。豈不是性能更好。是的，這種緩存就是全相連緩存。我們依然以64 Byts大小cache為例說明。

由于所有的cache line都在一個組內，因此地址中不需要set index部分。因為，只有一個組讓你選擇，間接來說就是你沒得選。我們根據地址中的tag部分和所有的cache line對應的tag進行比較（硬件上可能并行比較也可能串行比較）。哪個tag比較相等，就意味著命中某個cache line。因此，在全相連緩存中，任意地址的數據可以緩存在任意的cache line中。所以，這可以最大程度的降低cache顛簸的頻率。但是硬件成本上也是更高。

一個四路組相連緩存實例問題

考慮這么一個問題，32 KB大小4路組相連cache，cache line大小是32 Bytes。請思考一下問題：

1). 多少個組？ 2). 假設地址寬度是48 bits，index、offset以及tag分別占用幾個bit？

總共4路，因此每路大小是8 KB。cache line size是32 Bytes，因此一共有256組（8 KB / 32 Bytes）。由于cache line size是32 Bytes，所以offset需要5位。一共256組，所以index需要8位，剩下的就是tag部分，占用35位。這個cache可以繪制下圖表示。

Cache分配策略（Cache allocation policy）

cache的分配策略是指我們什么情況下應該為數據分配cache line。cache分配策略分為讀和寫兩種情況。

讀分配（read allocation）:

當CPU讀數據時，發生cache缺失，這種情況下都會分配一個cache line緩存從主存讀取的數據。默認情況下，cache都支持讀分配。

寫分配（write allocation）：

當CPU寫數據發生cache缺失時，才會考慮寫分配策略。當我們不支持寫分配的情況下，寫指令只會更新主存數據，然后就結束了。當支持寫分配的時候，我們首先從主存中加載數據到cache line中（相當于先做個讀分配動作），然后會更新cache line中的數據。

Cache更新策略（Cache update policy）

cache更新策略是指當發生cache命中時，寫操作應該如何更新數據。cache更新策略分成兩種：寫直通和回寫。

寫直通（write through）：

當CPU執行store指令并在cache命中時，我們更新cache中的數據并且更新主存中的數據。cache和主存的數據始終保持一致。

寫回（write back）：

當CPU執行store指令并在cache命中時，我們只更新cache中的數據。并且每個cache line中會有一個bit位記錄數據是否被修改過，稱之為dirty bit（翻翻前面的圖片，cache line旁邊有一個D就是dirty bit）。我們會將dirty bit置位。主存中的數據只會在cache line被替換或者顯示clean操作時更新。因此，主存中的數據可能是未修改的數據，而修改的數據躺在cache line中。

同時，為什么cache line大小是cache控制器和主存之間數據傳輸的最小單位呢？這也是因為每個cache line只有一個dirty bit。這一個dirty bit代表著整個cache line時候被修改的狀態。

實例

假設我們有一個64 Bytes大小直接映射緩存，cache line大小是8 Bytes，采用寫分配和寫回機制。當CPU從地址0x2a讀取一個字節，cache中的數據將會如何變化呢？假設當前cache狀態如下圖所示。

根據index找到對應的cache line，對應的tag部分valid bit是合法的，但是tag的值不相等，因此發生缺失。此時我們需要從地址0x28地址加載8字節數據到該cache line中。但是，我們發現當前cache line的dirty bit置位。因此，cache line里面的數據不能被簡單的丟棄，由于采用寫回機制，所以我們需要將cache中的數據0x11223344寫到地址0x0128地址（這個地址根據tag中的值及所處的cache line行計算得到）。這個過程如下圖所示。

當寫回操作完成，我們將主存中0x28地址開始的8個字節加載到該cache line中，并清除dirty bit。然后根據offset找到0x52返回給CPU。