计算机基础

发布日期: 2022-10-23

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cache在CPU读取数据时扮演着重要的角色，同样的，虽然，在CPU写数据时，没有发挥直接作用，但是可以发挥间接作用，比如将数据写的地方离自己近一点，这样有利于下次的读取。

但是，写数据与读数据不太一样，主要有两个方面的问题：

hit cache：因为涉及到数据的变化，可能会存在不一致的情况，例如：只写入cache，但是不写入main memory。
miss cache，此时如何处理？

当hit cache时

首先要明确一点，hit cache是什么意思？之前在读数据时，如果数据在cache中，称为hit。同样的，在写操作中，hit指的是写入的内存地址在cache中能找到。

在hit的情况下，cache与main memory中对写入内存地址的数据不一致的问题，发生的原因在于只写到了cache中，没有同步到memory中。针对这种情况，最简单的办法是write-through。

write-through（写穿透）

数据同时写入Cache和主存，保证内存和cache数据一致；
但是这种策略效率较低，因为涉及到写到memory中，优点是简单、直接；

针对这种方法的缺点，有一个改进的策略——使用write buffer。

A write buffer as a queue, it stores the data while it is waiting to be written to memory. After writing the data into the cache and into the write buffer, the processor can continue execution.

这种方法的优点在于，处理器不用等待写入memory的操作，而是写入write buffer就可以继续执行别的指令（之前基本的write-through策略需要CPU等待写入内存完成），而写入buffer显然比写入memory要快；

又是，以空间换时间的策略。
当write buffer中的数据被写入memory后，它就会被清空，以等待下一次使用；
当CPU需要写数据时，而write buffer已满，这时CPU也需要等待有空闲位置；

这种write buffer的策略有个问题：

当CPU发出写操作的速度，大于memory完成写操作的速度，总有时间点，write buffer会被填满，即便buffer再大，CPU也会等待。

Write-back（写回）

对于write-through的替代策略，write-back使用不同的处理策略：

第一次只向cache中写入；
当对应内存地址的cache line中的数据被更新了，才会将数据写回到memory中；

相比于write-through：

这种策略性能好，特别是当CPU生成写操作的速度大于memory执行写入操作的速度时，因为写到内存的次数减少；
可能对同一块cache的区域多次写入，但是只要将最后一次写回到内存即可，减少了内存访问次数；
但是要实现这个目标，要求cache具有复杂的结构；

当miss cache时

此时，写指令中的内存地址在cache中没有对应的cache line。在这种情况下，如果要写入数据，有两种策略：

no write allocate;
write allocate;

no write allocate

这种策略中，写操作的对象只有main memory，不涉及cache，即数据不会写入cache中。
实现简单、直接，但是性能不好；

write allocate

这种策略下，情况要复杂一点：

首先，根据写操作指令中的内存地址，将对应的数据从main memory中得到，并将数据写到cache的cache line中的block；
将写操作中新的数据写到1中对应的block中，完成覆写；

这块我一直不太明白为啥要先从内存中将数据写到cache中，直接将数据写到cache中不就行了，这样先写的数据也会被覆盖，何必呢？

我个人理解，因为是Miss，cache中没有新数据对应的内存地址，因此处理器直接写cache，找不到对应的位置，也就无法完成操作，而先从内存中写cache旧数据的目的是，将对应内存的地址也放到cache中，这样后面写入新数据时就可以找到地址了。

这种策略，