图解 | CPU-Cache | 2

这是图解系列之CPU cache

本文接着说Cache的歧义别名

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对内存管理还不太清楚，可以先看我之前关于MMU的文章。

对Cache基本原理不太清楚，可以先看我之前的Cache基本原理。

在《图解 | CPU-Cache》一文中介绍了VIVT、PIPT、VIPT三种查找方式。下面分析一下其歧义别名问题。

歧义：查找到的Cacheline先后指向多个物理地址。

别名：一个物理地址被加载到不同的Cacheline中。

VIVT

歧义:VIVT时，相同的虚拟地址映射不同的物理地址就会出现歧义。

VIVT歧义举例:两个进程的某一相同虚拟机地址指向了不同的物理地址，进程A运行时CPU把此虚拟地址加载到了Cacheline中，进程B运行时，CPU在Cache中查找此地址时会发现Cache hit，从而加载了错误的物理地址内存。

操作系统为了避免VIVT歧义，在进程切换时，可以flush所有的cache，使主存储器有效，高速缓存无效。后果就是切换后的进程会有大量的cache miss导致性能损失。

别名:基于VIVT，在2个虚拟地址对应同一个物理地址时，对于index和tag，2个虚拟地址都是可能不同的，它们完全可能在2个Cacheline同时命中。此时就出现了别名问题。

VIVT Cache由于问题多难管理。所以现在CPU已经不使用这种方式。现在CPU使用PIPT或者VIPT。

PIPT

歧义:PIPT时，同时index和tag都是基于物理地址，也不存在查到多个Cacheline对应一个物理地址，所以不存在歧义问题。

别名:基于PIPT，在2个虚拟地址对应同一个物理地址时，由于物理地址一样，基于此物理地址去查找和比对Cache，是不会查到两个Cacheline的，所以PIPT不存在别名问题。

PIPT即不存在歧义也不存在别名。现在CPU大多采用PIPT高速缓存设计。在Linux内核中PIPT高速缓存的管理函数都是空函数，无需管理。

VIPT

歧义:VIPT以物理地址部分位作为tag，因此不会存在歧义问题。

VIPT的别名问题分几种情况来看：

首先是下图所示的，index+offset的长度小于一个page的长度，即cache的size除以WAY数小于1个page的大小时，此时VI等于PI，所以没有别名问题。（为什么？因为此时VIPT就是PIPT了）

其次是下图所示的，index+offset的长度等于一个page的长度，即cache的size除以WAY数等于1个page的大小时，此时VI等于PI，所以也没有别名问题。

再次是下图所示的，index+offset的长度大于一个page的长度，即cache的size除以WAY数大于1个page的大小时，此时VI不等于PI，所以有别名问题。

基于VIPT的别名问题总结起来就是：如果cache的size除以WAY数，小于等于1个page的大小，则VI=PI，无别名问题；如果cache的size除以WAY数，大于1个page的大小，则VI≠PI，有别名问题。

如何避免VIPT的别名问题举例：

例如：Page size是4K，CPU的cache大小64KB，cacheline大小是256B。

如果是采用4Way，显然有别名问题：

如果换成16Way，显然无别名问题：

这是我的图解系列之

Cache的歧义别名

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