Cache分类与替换算法

根据不同的分类标准可以按以下3种方法对Cache进行分类。

•1）数据cache和指令cache

•● 指令cache：指令预取时使用的cache。

•● 数据cache：数据读写时使用的cache。

如果一个存储系统中指令cache和数据cache是同一个cache，称系统使用了统一的cache。反之，如果是分开的，那么称系统使用了独立的cache；如果系统中只包含指令cache或者数据cache，那么在配制系统时可以作为独立的cache使用了。

使用独立的数据cache和指令cache，可以在同一个时钟周期中读取指令和数据，而不需要双端口的cache，但这时候要注意保证指令和数据的一致性。

•2）写通（write-through）cache和写回（write-back）cache

•● 写回cache CPU在执行写操作时，被写的数据只写入cache，不写入主存，仅当需要替换时，才把已经修改的cache块写回到主存中，在采用这种更新算法的cache快表中，一般有一个修改位，当一块中的任何一个单元被修改时，这一块的修改位被设置为1，否则这一块的修改位仍保持为0；在需要替换这一块时，如果对应的修改位为1，则必须先把这一块写到主存中去之后，才能调入新的块，否则，只要用新调入的块覆盖该块即可。

•● 写通cache CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入cache和主存，这样，在cache的快表中就不需要“修改位”，
当某一块需要替换时，也不必把这一块写回到主存中，新调入的块可以立即把这一块覆盖掉。

写回cache和写通cache的优缺点比较如下表所示。

写回cache与写通cache比较

•3）读时分配（read-allocate）cache和写时分配（write-allocate）cache

•● 读时分配cache当进行数据写操作时，如果cache没命中，只是简单地将数据写入主存中，主要在数据读取时，才进行cache内容预取。

•●写时分配cache当进行数据写操作时，如果cache未命中，cache系统将会进行cache内容预取，从主存中将相应的块读取到cache中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到cache中。对于写通类型的cache，数据将会同时写入到主存中，对于写回类型的cache，数据将在合适的时候写回到主存中。

由于写操作分配cache增加了cache内容预取的次数，增加了写操作的开销，但同时可能提高cache的命中率，因此这种技术对于系统整体性能的影响与程序中读操作和写操作的数量有关。

Cache替换算法

随机替换算法

通过一个伪随机数发生器产生一个伪随机数，用新块编号为该伪随机数的cache块替换掉。这种算法很简单且容易实现，但没有考虑程序的局部性特点，也没有利用历史上块地址流的分布情况，因而效果较差，同时这种算法不易预测最坏情况下cache的性能。

轮转替换算法

维护一个逻辑的计数器，利用该计数器依次选择将要被替换出去的cache块。这种算法容易预测在最坏情况下cache的性能。但在程序发生很小的变化时，可能造成cache平均性能的急剧变化，这是它的一个明显缺点。