数据存储到cache中遇到的问题，详解cache、寄存器、cpu、内存之间的关系

问题起因：

公司的一个处理图像的程序得到的结果中，图像是漏点的。（大量像素点位的RGB值错误）

 

分析原因：

1、元素点的值（RGB）计算错误？

1. 计算元素值的算法出错
2. 计算结果没有更新

2、通过测试发现不是1）的问题，所以就应该是2），查找数据更新节点，发现确实计算结果正确，程序执行结束，应该更新完成了（按照道理来说，赋值之后就应该更新，但是最后的输出结果却没更新），经过调研发现数据存储位置的不同，更新机制就不同。（数据存储一般存储在内存或者cache中，问题的原因就是因为数据存储到cache中了，程序运行结束前没有进行sync）

 

分析后的问题延伸：

1、cache物理结构及物理地址：SRAM为主体的存储器，也是一种内存，只是被集成到CPU上了。

 

 

2、存储速度是内存的60倍，接近寄存器的速度（稍慢不到1ns）。

 

 

3、cache数据的更新机制

 

1. cpu快速读取大量数据的时候，新数据覆盖旧数据。

 

1. Cache 替换算法和写策略：简单来说就是每一个数据块都有一个计数器，当某一个数据块被使用的时候，这个数据块的计数器被清零，其他数据块的计数器加1，当需要替换的时候淘汰计数器值最大的数据块。

 

 

4、因为Cache 中的内容是主存块副本，当对 Cache 中的内容进行更新时，就存在 Cache 和主存如何保持一致的问题。（答案：https://www.jianshu.com/p/39b75482c0ed）

 

1. 当多个设备都允许访问主存时，例如：I/O 设备可直接读写内存时，如果Cache 中的内容被修改，则 I/O 设备读出的对应主存单元的内容无效；若 I/O 设备修改了主存单元的内容，则Cache 中对应的内容无效。

 

1. 当多个 CPU 都带有各自的 Cache 而共享主存时某个 CPU 修改了自身 Cache 中的内容，则对应的主存单元和其他 CPU 中对应的内容都变为无效。

 

1. 写操作也有两种情况：
   1. 写命中（Write Hit）：要写的单元已经在 Cache 中
   2. 写不命中（Write Miss）：要写的单元不在 Cache 中

 

1. 最后解释一下之间说的：“no-cache其实指的就是具有写直达的cache，这个概念我在网上没搜索到，但是按照理解就是这个样子的，在http协议中的no-cache值的是接收这个缓存数据要进行验证）

 

解决方案：

1、直接在程序结尾，添加指令。cache一致性的维护由硬件CPU自动完成，同时处理器也会提供一些指令，以支持软件对cache的操作。以x86为例，有四条指令可以对cache进行invalidate/flush.

1、全部invaliate/flush

WBINVD, 即write back invalidate的缩写，具体操作是先将cache中标记为modified的内容全部write back到外部内存，再清空整个cache。INVD, 相比WBINVD少了个write back的操作，所以没法保证数据一致性，这条指令只在cache和外部内存不需要保持一致的情况下使用（如某些测试环境）。

2、部分invalidate/flush

CLFLUSH/CLFLUSHOPT，即cache line flush的缩写，可针对某些cache lines单独操作，适用于该cache line对应的内存区域之后不会再被访问（access）到的情况。

 

2、将数据存储到内存中。

 

附上本人绘制的cache、寄存器、cpu、内存之间的关系脑图，如果你有所收获希望大家看完能给我的脑图点个赞谢谢！！！

https://www.processon.com/view/link/6038cc331e085364c6761ffb