10、缓存与内存层次结构详解

缓存与内存层次结构详解

在计算机系统中，缓存和内存层次结构对于提升系统性能起着至关重要的作用。下面将详细介绍缓存替换策略、写入策略、缓存数量以及缓存一致性等方面的知识。

缓存替换策略

在较大关联性的情况下，精确实现最近最少使用（LRU）或最不经常使用（LFU）算法成本过高，因此常采用近似算法或其他方案。其中，随机替换是一种常用的方法，因为它实现简单，且模拟结果表明，随机替换的性能仅略逊于LRU或LFU等更复杂的方法。

写入策略

缓存包含了部分内存块。当处理器对当前存储在缓存中的内存块进行写访问时，缓存中的引用块肯定会被更新，以确保下一次读访问能返回最新值。但问题是，主内存中的相应内存块何时更新呢？这就涉及到写入策略，主要有直写（write-through）和回写（write-back）两种。

直写策略

直写策略下，对缓存块的修改会立即传输到主内存，从而保持缓存和主内存的一致性。这种方法的优点是，像I/O模块等可以直接访问主内存的设备，总能获取到内存块的最新值，这在多核系统中尤为重要。然而，直写的缺点是每次缓存写入都会引发主内存写入，而主内存写入通常至少需要100个处理器周期才能完成，这可能会减慢处理器速度。为避免处理器等待，可使用写缓冲区来存储待写入主内存的操作。当写缓冲区满时，会发生写停顿，处理器必须等待缓冲区有空闲条目。

操作步骤如下：
1. 处理器发起写操作。
2. 数据同时写入缓存和写缓冲区。
3. 处理器继续执行，无需等待主内存写入完成。
4. 主内存写入完成后，释放写缓冲区条目。
5. 若写缓冲区满，处理器等待至有空闲条目。