Cache替換策略和Write-through介紹

Cache和存儲器一樣具有兩種基本操作，即讀操作和寫操作。當(dāng)CPU發(fā)出讀操作命令時，根據(jù)它產(chǎn)生的主存地址分為兩種情形：一種是需要的數(shù)據(jù)已在Cache中，那么只需要直接訪問Cache，從對應(yīng)單元中讀取信息到數(shù)據(jù)總線即可；

另一種是需要的數(shù)據(jù)尚未裝入Cache，CPU需要從主存中讀取信息的同時，Cache替換部件把該地址所在的那塊存儲內(nèi)容從主存復(fù)制到Cache中。若Cache中相應(yīng)位置已被字塊占滿，就必須去掉舊的字塊。常見的替換策略有以下兩種：

1-先進(jìn)先出策略（FIFO）

FIFO（First In First Out）策略總是把最先調(diào)入的Cache字塊替換出去，它不需要隨時記錄各個字塊的使用情況，較容易實現(xiàn)。缺點(diǎn)是經(jīng)常使用的塊，如一個包含循環(huán)程序的塊也可能由于它是最早的塊而被替換掉。

2-最近最少使用策略（LRU）

LRU（Least Recently Used）策略是把當(dāng)前近期Cache中使用次數(shù)最少的信息塊替換出去，這種替換算法需要隨時記錄Cache中字塊的使用情況。LRU的平均命中率比FIFO高，在組相聯(lián)映像方式中，當(dāng)分組容量加大時，LRU的命中率也會提高。

關(guān)于Write-through和Write-back

1-對于磁盤操作來說

write-through的意思是寫操作根本不使用緩存，數(shù)據(jù)總是直接寫入磁盤，關(guān)閉寫緩存，可釋放緩存用于讀操作（緩存被讀寫操作共用）。

write-back的意思是數(shù)據(jù)不直接被寫入磁盤，而是先寫入緩存，再由控制器將緩存內(nèi)未寫入磁盤的數(shù)據(jù)寫入磁盤，從應(yīng)用程序的角度看，比等待完成磁盤寫入操作要快得多，因此可以提高寫性能。

但是write-back（write cache）方式通常在磁盤負(fù)荷較輕時速度更快。負(fù)荷重時，每當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入緩存后，就要馬上再寫入磁盤以釋放緩存來保存將要寫入的新數(shù)據(jù)，這時如果數(shù)據(jù)直接寫入磁盤，控制器會以更快的速度運(yùn)行。因此，負(fù)荷重時，將數(shù)據(jù)先寫入緩存反而會降低吞吐量。

2-對于CPU內(nèi)部的cache緩沖模式來說

Write-Through和Write-Back，前者是按順序來一個寫一個，而后者則是先將資料按一定數(shù)量保存在緩沖區(qū)中，然后將相同位置的數(shù)據(jù)一次性寫出。舉例說明：有一部電梯，如果按先入先出的原則，即write through模式，第一個人去3樓，第二個去2樓，第三個也去3樓，那么這電梯就得先到3樓，然后到2樓，再去3樓。

但如果在write back模式下，電梯先到2樓把第二個人送出去，然后再到3樓把第一個人和第三個人送出去，效率顯然高多了。早期的cache只有write through模式，但現(xiàn)在的cache都使用write back模式了。

3-其他的解釋

?Write-Through：在write的時候，同步更新cache和memory中的數(shù)據(jù)。

?Write-Back：在write的時候更新cache，但是memory中的數(shù)據(jù)不一定同步更新，只有當(dāng)cache到一定程度才會把cache中的數(shù)據(jù)刷到memory中，或者通過cache指令刷新，不會同步自動刷新。

?cache line的意思是假設(shè)你那條指令只要從memory中讀4個字節(jié)，但是一般來說你接下來的指令很有可能要讀這4個字節(jié)后面的數(shù)據(jù)，所以一般硬件會多讀一些數(shù)據(jù)進(jìn)入cache，比如64字節(jié)，那么這64字節(jié)就是一個cache line。而如果你這個cache line里的數(shù)據(jù)長時間不被CPU訪問，那么這個cache line可能會被選中換出，這時候就必須把cache里被改過的信息寫回memory了。