计算机体系结构——储存层次

计算机的储存层次定义了计算机如何储存数据&＃xff0c;一种典型的储存层次为&＃xff1a;

这些储存结构从上到下依次&＃xff1a;

• 容量递增&＃xff1b;
• 价格递减‘&＃xff1b;
• 速度递减&＃xff1b;
• 体积递增。

储存层次中的缓存

储存层次第 k 层是第 k&＃43;1 层的缓存&＃xff0c;缓存的主要作用是将那些在 k&＃43;1 层经常使用的数据块复制到第 k 层&＃xff0c;这样就可以提高访问的速度。

缓存命中

当程序想要获取第 j 个数据块&＃xff0c;发现第 k 层缓存缓存了这个数据块称为缓存命中。

一个好的程序通常需要具有好的缓存友好性&＃xff0c;分为&＃xff1a;

1. 时间缓存友好性&＃xff0c;指程序应该在短时间内访问同一个变量。
2. 空间缓存友好性&＃xff0c;程序应该连续访问数据&＃xff0c;而不是跨越访问数据。

上面两点都能提高缓存命中的概率。

缓存失效

当程序想要获取第 j 个数据块&＃xff0c;发现第 k 层缓存没有缓存第 j 个数据块&＃xff0c;进而要从第 k&＃43;1 层获取第 j 个数据块&＃xff0c;称为缓存失效。

如果第 k 层的缓存空间使用已满&＃xff0c;这时需要用第 j 个数据块去覆盖某个数据块。被覆盖的数据块称为牺牲数据块&＃xff0c;觉得被覆盖的数据块取决于缓存替换算法。例如&＃xff0c;随机缓存替换随机选取一个数据块进行替换&＃xff0c; LRU 缓存算法将替换距最后一次访问时间距离现在最长的那个数据块。

缓存失效的类型

如果第 k 层缓存是空的&＃xff0c;即没有任何数据块&＃xff0c;称为冷缓存。此时的缓存失效类型称为强制失效或者 冷失效 &＃xff0c;这种缓存失效持续时间不长&＃xff0c;常发生在缓存预热之前。

第 k 层的储存通常比第 k&＃43;1 层小的很多&＃xff0c;如何在第 k 层放置数据块和定位数据块成了一个严峻的问题。通常来说&＃xff0c;使用一种取余策略&＃xff0c;即将第 k &＃43; 1层第 i 个数据块放在第 k 层的第 $i\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}4$ 的位置上&＃xff0c;假如第 k 层有 4 个可用的位置。

这种策略引发了一种 冲突性失效的缓存失效 的类型&＃xff0c;例如程序连续访问 0,8,0,8,0,8 恰好这两个数据块共用一个缓存位置&＃xff0c;那么每次查询缓存的时候都被另外一个占用&＃xff0c;缓存永远无法发挥作用。

最后一种&＃xff0c;当程序反复使用一段内存&＃xff0c;但是这段内存大于缓存区的长度&＃xff0c;那么这段内存将会重复载入缓存区&＃xff0c;造成 容量缓存失效 。