【愚公系列】软考高级-架构设计师 007-存储技术（Cache）

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🚀前言

Cache（发音为“cash”）是一种高速数据存储层，存在于计算机的存储器层次结构中，它的作用是暂时存储近期被访问的数据和指令，以便于快速访问。由于Cache的访问速度远高于主存储器（如RAM）和辅助存储设备（如硬盘或SSD），利用Cache可以显著减少数据访问的平均时间，从而提高计算机系统的整体性能。

🚀一、Cache

🔎1.高速缓存Cache

🦋1.1 工作原理

Cache工作的基本原理是基于程序运行时的局部性原理，包括时间局部性和空间局部性：

• 时间局部性：如果一个数据被访问，那么在不久的将来它很可能再次被访问。
• 空间局部性：如果一个数据被访问，那么它附近的数据也很可能被访问。

根据这两个原理，Cache通过存储最近和/或频繁访问的数据和指令，使得CPU在大多数情况下能够直接从Cache中获取数据，而不是从较慢的主存中获取。

🦋1.2 类型

Cache可以根据存储位置、目的和内容被分为几种类型：

• 根据存储位置：分为内部Cache（或一级Cache，L1 Cache）和外部Cache（包括二级Cache，L2 Cache，以及三级Cache，L3 Cache）。L1 Cache位于处理器内部，速度最快，容量相对较小；L2和L3 Cache容量较大，位于处理器外部，但仍然比主存快得多。
• 根据目的：分为指令Cache用于存储指令，数据Cache用于存储数据，和统一Cache（或混合Cache），同时存储指令和数据。
• 根据内容：分为全相联Cache、直接映射Cache和组相联Cache，这些分类描述了数据在Cache中的存储方式，影响着Cache的效率和复杂度。

🦋1.3 管理

Cache的管理涉及到几个关键的策略，包括替换策略（如最近最少使用（LRU）算法），写策略（写回（Write-Back）和写通（Write-Through））和映射策略（如直接映射、全相联映射和组相联映射）。

🦋1.4 重要性

在现代计算机架构中，Cache是提高处理器性能的关键技术之一。随着处理器速度的提高和多核处理器的普及，高效的Cache设计和管理变得越来越重要。通过有效利用Cache，可以大大减少处理器访问内存的延迟，提高程序运行的速度。

🦋1.5 练习

1、在CPU内外常设置多级高速缓存Cache其主要目的是（ ）。（2019下半年试题）

A.扩大主存的存储容量

B.提高CPU访问主存数据或指令的效率

C.扩大存储系统的容量

D.提高CPU访问外存储器的速度

解析：

A. 扩大主存的存储容量：Cache的目的不是为了扩大主存储器的容量，而是为了缓存主存中频繁访问的数据和指令，以减少CPU的等待时间。

B. 提高CPU访问主存数据或指令的效率：这是Cache的主要目的。通过在CPU和主存之间设置多级Cache，CPU可以更快地访问到最近或最频繁使用的数据和指令，因为Cache的访问速度远高于主存储器。

C. 扩大存储系统的容量：Cache的设计并非为了扩大整个存储系统的容量，而是为了优化访问速度和效率。

D. 提高CPU访问外存储器的速度：虽然Cache可以间接影响到CPU访问外存储器（如硬盘或SSD）的速度，因为经常访问的数据可以被缓存在主存或Cache中，减少了对外存的访问需求。然而，Cache的直接目的是提高访问主存中的数据和指令的效率，而不是直接提高对外存储器的访问速度。

因此，正确的答案是 B. 提高CPU访问主存数据或指令的效率。这反映了Cache在计算机存储层次结构中的作用，即为CPU提供快速访问内存中数据和指令的途径，从而提高整个系统的性能。

🔎2.Cache的地址映像方法

🦋2.1 概念

🦋2.2 练习

1、Cache的地址映像方式中，发生块冲突次数最小的是（ ）。（2015年上半年）

A.全相联映像

B.组相联映像

C.直接映像

D.无法确定

解析：

Cache的地址映射方式主要有三种：直接映射、组相联映射（又称为n路组相联映射）、全相联映射。它们在处理块冲突（即两个或多个内存地址需要映射到同一Cache行的情况）的能力上有所不同。

A. 全相联映像：在全相联映射方式中，任何一个内存块都可以被映射到Cache中的任何位置。这种映射方式提供了最大的灵活性，从理论上讲，它能最小化块冲突的发生，因为它不受固定位置的限制。但是，全相联映射的实现成本较高，因为它要求更复杂的硬件来检索和定位数据。

B. 组相联映像：组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案，它将Cache分为多个组，每个组包含多行。一个内存块可以映射到一个组内的任何行，但只能是这个组。组相联映射通过增加灵活性减少了块冲突的可能性，但仍然不如全相联映射灵活。

C. 直接映像：直接映射方式下，每个内存块只能映射到Cache的一个特定位置。这种方式实现简单，成本低，但容易发生块冲突，尤其是当两个经常访问的内存块映射到同一个Cache行时。

D. 无法确定：根据以上分析，可以确定最小化块冲突次数的映射方式。

因此，正确答案是 A. 全相联映像。全相联映射因其提供的最大灵活性，在理论上发生块冲突的次数最小，但这种灵活性是以较高的实现成本为代价的。

🔎3.Cache替换算法

🦋3.1 概念

Cache替换算法是一种决定在缓存空间有限的情况下哪些数据被保留、哪些数据被替换的方法。在处理器的Cache或其他缓存系统中，当新的数据需要被载入Cache，但Cache已满时，替换算法就会被用来选择被替换的数据块。几种常见的Cache替换算法包括：

1. 最近最少使用（LRU，Least Recently Used）：
   • LRU算法会淘汰最长时间未被访问的数据块。它基于这样的假设：最近未被访问的数据在将来也不太可能被访问。
   • 实现起来相对复杂，需要跟踪每个数据块自上次访问以来的时间。
2. 先进先出（FIFO，First In First Out）：
   • FIFO算法按照数据块进入Cache的顺序进行淘汰，最早进入的数据块将最先被替换。
   • 实现简单，但可能会淘汰最近才载入并可能再次被访问的数据。
3. 随机替换（Random）：
   • 如其名，随机替换算法随机选择一个数据块进行替换。
   • 实现简单，但可能会移除频繁使用的数据块。
4. 最不经常使用（LFU，Least Frequently Used）：
   • LFU算法淘汰访问频次最少的数据块。
   • 能有效地保留经常访问的数据，但实现复杂，且对历史访问模式过于敏感。
5. 最近不经常使用（NMRU，Not Most Recently Used）：
   • 从最近未被访问的数据块中随机选择一个进行替换。
   • 是一种介于LRU和随机替换之间的折衷方法。
6. 时钟（Clock）或最近未用（NRU，Not Recently Used）：
   • 在LRU的基础上简化实现。数据块在Cache中以循环队列（类似时钟）的形式排列，有一个指针指向最老的数据块。如果这个数据块最近未被访问，则替换它；否则，保留它并将指针移至下一个数据块。

选择合适的替换算法取决于多种因素，如应用场景、Cache的大小、硬件限制和预期的访问模式等。理想的Cache替换策略应该尽量减少缓存未命中（cache misses）的情况，从而提高整体系统性能。

🦋3.2 练习

1、Cache的替换算法中，（ ）算法计数器位数多，实现困难。

A.FIFO

B. LFU

C. LRU

D. RAND

解析：

在Cache的替换算法中，B. LFU（Least Frequently Used，最不经常使用）算法的实现相对困难，原因在于它需要维护一个计数器来记录每个数据块被访问的频率。与其他替换策略相比，LFU需要更多的计数器位数来准确记录访问频次，并据此做出替换决策。

A. FIFO（First In First Out，先进先出）：

• FIFO算法根据数据块进入Cache的顺序进行替换，实现相对简单。它不需要跟踪每个数据块的使用频率或最近使用情况，因此不涉及复杂的计数器或标记。

B. LFU（Least Frequently Used，最不经常使用）：

• LFU算法通过记录每个数据块的访问频次来决定哪个数据块被替换。它需要为每个数据块维护一个计数器，并在每次访问时更新这些计数器。随着时间的推移，这些计数器的位数可能需要增加以记录较高的频次，这使得LFU的实现相对困难且开销较大。

C. LRU（Least Recently Used，最近最少使用）：

• LRU算法淘汰最长时间未被访问的数据块。尽管它比FIFO和随机替换要复杂，需要跟踪数据块的访问顺序，但与LFU相比，LRU通常不需要记录每个数据块的访问频次，因此实现起来较为简便。

D. RAND（Random，随机）：

• 随机替换算法通过随机选择一个数据块来进行替换，实现非常简单，不需要计数器或跟踪数据块的访问模式。

因此，正确答案是 B. LFU，因为它需要为每个数据块维护一个用于记录访问频次的计数器，这不仅增加了实现的复杂度，还需要更多的位数来准确记录这些信息。

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