Valgrind Cachegrind CPU缓存 - B站视频详解

🎬 B 站视频链接：Valgrind 工具实战讲解 - Cachegrind 篇

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Valgrind 中 cachegrind 工具全面解析：性能优化的第一步

这是一篇完整的讲解文档，带您深入理解 Valgrind 中的 cachegrind 工具。旨在让您明白 CPU 缓存的基本原理，以及如何利用 cachegrind 完成实际性能分析和优化。

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一、什么是 CPU 缓存？

在现代 CPU 设计中，缓存是一种很小、非常快速的内存，作为 CPU 和一般内存之间的中间层。

通常分为三级：

• L1 ：最小最快
• L2 ：大一些，速度慢一些
• L3 ：共享，速度最慢，容量最大

如果缓存未命中（即所谓 cache miss），CPU 需要从内存中重新读取数据，这会引起性能降低。

因此，使用有利于缓存命中率的数据访问模式，是性能优化的重要手段。

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二、什么是 Valgrind？

Valgrind 是一套经典的 Linux 下的性能调试和错误分析工具集，提供多种工具：

• memcheck：内存错误检测
• cachegrind：缓存和分支预估分析
• callgrind：函数调用分析
• helgrind：线程纠缠检测

我们本文要看的，是其中的 cachegrind。

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三、cachegrind 是什么？能做啥？

cachegrind 是一个可以模拟 CPU 中缓存行为的工具，能够跟踪代码执行过程中：

• 指令访问次数 (I refs)
• 指令缓存 miss (I1 misses)
• 数据访问次数 (D refs)
• 数据缓存 miss (D1 misses)
• 级联缓存 (LL) miss

通过这些指标，我们可以看出代码哪些地方存在 cache miss ，从而优化访问模式。

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四、简单代码实例：好的缓存模式 VS 坏的缓存模式

1. good_cache.c

#include <stdio.h>
int main() {
    int arr[1024][1024] = {0};
    long sum = 0;
    for (int i = 0; i < 1024; i++)
        for (int j = 0; j < 1024; j++)
            sum += arr[i][j];
    printf("sum = %ld\n", sum);
    return 0;
}

2. bad_cache.c

#include <stdio.h>
int main() {
    int arr[1024][1024] = {0};
    long sum = 0;
    for (int j = 0; j < 1024; j++)
        for (int i = 0; i < 1024; i++)
            sum += arr[i][j];
    printf("sum = %ld\n", sum);
    return 0;
}

执行 cachegrind

gcc -g -O0 -o good_cache good_cache.c
valgrind --tool=cachegrind ./good_cache

gcc -g -O0 -o bad_cache bad_cache.c
valgrind --tool=cachegrind ./bad_cache

对比结果截图分析：

（参考下方图示）

D1 miss rate:   1.3%   （顺序访问，好）
D1 miss rate:  10.6%   （跳跃访问，坏）

根本原因：缓存行是按行的地址序列存放，顺序访问最有利于命中，逆编辑访问导致大量缓存失效。

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五、实战项目中 cachegrind 的作用

• 分析性能瓶颈，查看是否缓存 miss 过多
• 对优化前后的效果进行量化对比分析
• 分析深层代码中不易察觉的缓存行为

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六、总结

• CPU 缓存失效会大幅降低性能
• valgrind --tool=cachegrind 是分析缓存性能的强大工具
• 通过缓存行为优化，可以达到显著性能改善

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如果您希望进一步理解 cachegrind 工具的使用，推荐观看以下配套视频教程：

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