cpu缓存的作用及原理是什么

作者：程序员小x

CPU高速缓存集成于CPU的内部，其是CPU可以高效运行的成分之一，本文围绕下面三个话题来讲解CPU缓存的作用：

为什么需要高速缓存？

高速缓存的内部结构是怎样的？

如何利用好cache，优化代码执行效率？

为什么需要高速缓存？

在现代计算机的体系架构中，为了存储数据，引入了下面一些元件

1.CPU寄存器

2.CPU高速缓存

3.内存

4.硬盘

从1->4,速度越来越慢，价格越来越低，容量越来越大。这样的设计使得一台计算机的价格会处于一个合理的区间，使得计算机可以走进千家万户。

由于硬盘的速度比内存访问慢，因此我们在开发应用软件时，经常会使用redis/memcached这样的组件来加快速度。

而由于CPU和内存速度的不同，于是产生了CPU高速缓存。

下面这张表反应了CPU高速缓存和内存的速度差距。

存储器类型	时钟周期
L1 cache	4
L2 cache	11
L3 cache	24
内存	167

 

通常cpu内有3级缓存，即L1、L2、L3缓存。其中L1缓存分为数据缓存和指令缓存，cpu先从L1缓存中获取指令和数据，如果L1缓存中不存在，那就从L2缓存中获取。每个cpu核心都拥有属于自己的L1缓存和L2缓存。如果数据不在L2缓存中，那就从L3缓存中获取。而L3缓存就是所有cpu核心共用的。如果数据也不在L3缓存中，那就从内存中获取了。当然，如果内存中也没有那就只能从硬盘中获取了。

对这样的分层概念有了了解之后，就可以进一步的了解高速缓存的内部细节。

高速缓存的内部结构

CPU Cache 在读取内存数据时，每次不会只读一个字或一个字节，而是一块块地读取，这每一小块数据也叫CPU 缓存行（CPU Cache Line）。这也是对局部性原理的运用，当一个指令或数据被拜访过之后，与它相邻地址的数据有很大概率也会被拜访，将更多或许被拜访的数据存入缓存，可以进步缓存命中率。

cache line 又分为多种类型，分别为直接映射缓存，多路组相连缓存，全相连缓存。

下面依次介绍。

直接映射缓存

直接映射缓存会将一个内存地址固定映射到某一行的cache line。

其思想是将一个内存地址划分为三块，分别是Tag, Index，Offset(这里的内存地址指的是虚拟内存)。将cacheline理解为一个数组，那么通过Index则是数组的下标，通过Index就可以获取对应的cache-line。再获取cache-line的数据后，获取其中的Tag值，将其与地址中的Tag值进行对比，如果相同，则代表该内存地址位于该cache line中，即cache命中了。最后根据Offset的值去data数组中获取对应的数据。整个流程大概如下图所示：

下面是一个例子，假设cache中有8个cache line，

对于直接映射缓存而言，其内存和缓存的映射关系如下所示：

从图中我们可以看出，0x00,0x40,0x80这三个地址，其地址中的index成分的值是相同的，因此将会被加载进同一个cache line。

试想一下如果我们依次访问了0x00，0x40，0x00会发生什么？

当我们访问0x00时，cache miss，于是从内存中加载到第0行cache line中。当访问0x40时，第0行cache line中的tag与地址中的tag成分不一致，因此又需要再次从内存中加载数据到第0行cache line中。最后再次访问0x00时，由于cache line中存放的是0x40地址的数据，因此cache再次miss。可以看出在这个过程中，cache并没有起什么作用，访问了相同的内存地址时，cache line并没有对应的内容，而都是从内存中进行加载。

这种现象叫做cache颠簸（cache thrashing）。针对这个问题，引入多路组相连缓存。下面一节将讲解多路组相连缓存的工作原理。

多路组相连缓存

多路组相连缓存的原理相比于直接映射缓存复杂一些，这里将以两路组相连这种场景来进行讲解。

所谓多路就是指原来根据虚拟的地址中的index可以唯一确定一个cache line，而现在根据index可以找到多行cache line。而两路的意思就是指通过index可以找到2个cache line。在找到这个两个cache line后，遍历这两个cache line，比较其中的tag值，如果相等则代表命中了。

下面还是以8个cache line的两路缓存为例，假设现在有一个虚拟地址是0000001100101100,其tag值为0x19，其index为1，offset为4。那么根据index为1可以找到两个cache line，由于第一个cache line的tag为0x10,因此没有命中，而第二个cache line的tag为0x19，值相等，于是cache命中。

对于多路组相连缓存而言，其内存和缓存的映射关系如下所示：

由于多路组相连的缓存需要进行多次tag的比较，对于比直接映射缓存,其硬件成本更高，因为为了提高效率，可能会需要进行并行比较，这就需要更复杂的硬件设计。

另外，如何cache没有命中，那么该如何处理呢？

以两路为例，通过index可以找到两个cache line，如果此时这两个cache line都是处于空闲状态，那么cache miss时可以选择其中一个cache line加载数据。如果两个cache line有一个处于空闲状态，可以选择空闲状态的cache line 加载数据。如果两个cache line都是有效的，那么则需要一定的淘汰算法，例如PLRU/NRU/fifo/round-robin等等。

这个时候如果我们依次访问了0x00，0x40，0x00会发生什么？

当我们访问0x00时，cache miss，于是从内存中加载到第0路的第0行cache line中。当访问0x40时，第0路第0行cache line中的tag与地址中的tag成分不一致，于是从内存中加载数据到第1路第0行cache line中。最后再次访问0x00时，此时会访问到第0路第0行的cache line中，因此cache就生效了。由此可以看出，由于多路组相连的缓存可以改善cache颠簸的问题。

全相连缓存

从多路组相连，我们了解到其可以降低cache颠簸的问题，并且路数量越多，降低cache颠簸的效果就越好。那么是不是可以这样设想，如果路数无限大，大到所有的cache line都在一个组内，是不是效果就最好？基于这样的思想，全相连缓存相应而生。

下面还是以8个cache line的全相连缓存为例，假设现在有一个虚拟地址是0000001100101100,其tag值为0x19，offset为4。依次遍历，直到遍历到第4行cache line时，tag匹配上。

全连接缓存中所有的cache line都位于一个组(set)内，因此地址中将不会划出一部分作为index。在判断cache line是否命中时，需要遍历所有的cache line，将其与虚拟地址中的tag成分进行对比，如果相等，则意味着匹配上了。因此对于全连接缓存而言，任意地址的数据可以缓存在任意的cache line中，这可以避免缓存的颠簸，但是与此同时，硬件上的成本也是最高。

如何利用缓存写出高效率的代码？

看下面这个例子，对一个二维数组求和时，可以进行按行遍历和按列遍历，那么哪一种速度会比较快呢？

const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍历
int sum_row = 0;
for (int r = 0; r < row; r++) {
    for (int c = 0; c < col; c++) {
        sum_row += matrix[r][c];
    }
}

//按列遍历
int sum_col = 0;
for (int c = 0; c < col; c++) {
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        sum_col += matrix[r][c];
    }
}

我们分别编写下面的测试代码，首先是按行遍历的时间：

#include 
#include 
const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍历
int main(){
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            matrix[r][c] = r+c;
        }
    }
    auto start = std::now();
    
    //按行遍历
    int sum_row = 0;
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            sum_row += matrix[r][c];
        }
    }

    auto finish = std::now();
    auto duration = std::duration_cast(finish - start);
    std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;
}

标准输出打印了：2ms

接着是按列遍历的测试代码：

#include 
#include 
const int row = 1024;
const int col = 1024;
int matrix[row][col];

//按行遍历
int main(){
    for (int r = 0; r < row; r++) {
        for (int c = 0; c < col; c++) {
            matrix[r][c] = r+c;
        }
    }
    auto start = std::now();
    
    //按列遍历
    int sum_col = 0;
    for (int c = 0; c < col; c++) {
        for (int r = 0; r < row; r++) {
            sum_col += matrix[r][c];
        }
    }

    auto finish = std::now();
    auto duration = std::duration_cast(finish - start);
    std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;
}

标准输出打印了：8ms

答案很明显了，按行遍历速度比按列遍历快很多。

原因就是按行遍历时， 在访问matrix[r][c]时，会将后面的一些元素一并加载到cache line中，那么后面访问matrix[r][c+1]和matrix[r][c+2]时就可以命中缓存，这样就可以极大的提高缓存访问的速度。

如下图所示，在访问matrix[0][0]时，matrix[0][1]，matrix[0][2]，matrix[0][2]也被加载进了高速缓存中，因此随后遍历时就可以用到缓存。

而按列遍历时，访问完matrix[0][0]之后，下一个要访问的数据是matrix[1][0]，不在高速缓存中，于是需要再次访问内存，这就使得程序的访问速度相较于按行缓存会慢很多。

编辑：黄飞