CPU多级缓存与缓存一致性

痛定思痛。 2022-02-28 16:04 276阅读 0赞

# 1、为什么需要CPU缓存 #

我们选购电脑时，CPU处理器的配置会有缓存大小，它是CPU性能的重要指标。

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**为什么呢？因为CPU计算速度远大于访问主存速度，造成cpu资源浪费！**

我们应该都知道，计算机在执行程序的时候，每条指令都是在CPU中执行的，而执行的时候，又免不了要和数据打交道。而计算机上面的数据，是存放在主存当中的，也就是计算机的物理内存啦。

刚开始，还相安无事的，但是随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快。而由于内存的技术并没有太大的变化，**所以从内存中读取和写入数据的过程和CPU的执行速度比起来差距就会越来越大,**这就导致CPU每次操作内存都要耗费很多等待时间。

先来看计算速度。单颗CPU计算速度目前在2GHz-4GHz之间，以2.5GHz计即每秒钟计算25亿次，每个时钟周期耗时1/2.5GHz==0.4纳秒。当前所有的计算机都遵循冯诺依曼结构，所以执行任何指令（例如加法操作）的流程必然遵循下图：

![20190326110008525.png][]

所以，做一次加法的指令是由多个时钟周期组成的（如取指令和数字、放入寄存器、执行ALU、将结果写回主存），做ALU执行指令仅需要1个时钟周期，而取指令或者取数据、回写结果数据就需要与主存打交道了。CPU访问内存（主存）的速度非常慢，访问一次常常需要上百纳秒以上，这与计算指令有千倍的差距！怎样解决访问主存慢导致的CPU计算能力的浪费呢？

所以，人们想出来了一个好的办法，就是在**CPU和内存之间增加高速缓存**。缓存的概念大家都知道，就是保存一份数据拷贝。他的特点是速度快，内存小，并且昂贵。

那么，程序的执行过程就变成了：

当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

CPU上增加缓存后，由于CPU缓存离CPU核心更近，所以访问速度比主存快得多！如果我们访问内存时，先把数据读取到CPU缓存再计算，而下次读取到该数据时直接使用缓存（若未被淘汰掉），这在时间和空间上都会降低CPU计算能力的浪费！

1.  时间局部性：如果某个数据被访问，那么在不久的将来它很可能被再次访问；
2.  空间局部性：如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据很快也可能被访问；

而随着CPU能力的不断提升，一层缓存就慢慢的无法满足要求了，就逐渐的衍生出多级缓存。

按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可以分为一级缓存（L1），二级缓存（L3），部分高端CPU还具有三级缓存（L3），每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。

# 2、多级缓存 #

CPU缓存是分为多级的，原因是热点数据太大了！最快的缓存一定离CPU核心最近，因为体积小所以容量也最小，不能满足以MB计算的热点数据。最终发展出了三级缓存，分别称为L1、L2、L3级缓存。这三级缓存的访问速度各不相同，但都远大于访问主存的速度（访问时间更小），如下图所示：

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可见，L1和L2的缓存访问速度非常快，只有不到3ns，L3稍慢一些，但都远小于访问主存的速度。当然，CPU缓存的大小也远小于主存的大小，如本文最开始的那张图，现在的CPU缓存L3只有几十MB。通常L1就是32KB，而L2是256KB。

# 3、缓存一致性 #

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由于缓存的出现，极大地提高了CPU的吞吐能力，但是同时页引来了缓存不一致的问题，比如计算i++这个操作，在程序的运行中，首先需要将主内存中的数据复制到CPU cache中，CPU直接对Cach操作。

在单线程下不会有问题，但是在多线程情况下，每个线程都有自己的工作内存，变量i在多个线程的本地内存中都有一个副本，各线程都对i进行操作，操作完存入CPU cache中，然后经过计算再写入主内存中，很有可能i在经过了两次自增后结果还是1，这就是典型的缓存不一致的问题。

主流解决方法：

1.  通过总线加锁方法；
2.  通过缓存一致性协议。

方式一，通过给总线加锁（数据、控制、地址总线），者会阻塞其他CPU对其他组件的访问，效率低下。采用方式二。

最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：

*  当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

单核Cache中每个Cache line有2个标志：dirty和valid标志，它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效，数据是否被修改)，而在多核处理器中，多个核会共享一些数据，MESI协议就包含了描述共享的状态。

在MESI协议中，每个Cache line有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是：

![20190326113121114.png][]

参考：

[https://blog.csdn.net/cl2010abc/article/details/80745185][https_blog.csdn.net_cl2010abc_article_details_80745185]

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[https_blog.csdn.net_cl2010abc_article_details_80745185]: https://blog.csdn.net/cl2010abc/article/details/80745185