全网最详细的手把手模拟实现Cache

前言：本文内容较多（字数1w），不仅包含理论知识，还进行了全面实践。本文对前三章理论内容粗略解释，建议去b站观看哈工大和王道考研的操作系统中虚拟存储相关章节，然后对于设计实现就游刃有余了。

博主写这篇文章，主要是以实现CacheSim模拟器为主，目的是对CPU模拟器进行丰富，来研究cpu乱序执行机制与回滚机制带来的meltdown漏洞。

一、概述

1.1 简介

在计算机系统中，CPU高速缓存（英语：CPU Cache，在本文中简称缓存）是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。 当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。 缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。 在处理器看来，缓存是一个透明部件。因此，程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是，确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化，从而更好地利用缓存。

1.2 cache和主存的关系

一个块包含16个字节，并且内存的编制单位是字节，那么块内地址就是4位，剩余的部分就是储存块的编号。

1.为什么不需要计算cache地址？

由于主存块和cache块大小是相同的，所以块内地址位数是完全相同的，当某一个块，在内存和cache中进行传送的时候，是以整体进行的，块内并无变化所以两者的块内地址部分，值是完全相同的。

2.cache上的标记是来标记什么的？
标记了主存块和cache块之间的对应关系。如果将主存中的块调入到cache中，就可以将主存块号写入到这个标记中，当接受来自cpu给出的访存地址，就可以确定是否在cache中，将地址中的块号和标记进行比较即可，若相等，并且该cache块是有效的，就可以直接从cache中获取信息。

3.命中率与块长大小关系?
块太小，就没有充分用到局部性原理；块太大，导致块数过少，若块中只有少部分信息是cpu
有用的，其他信息没有用到，也会影响命中率。

1.3 Cache的基本结构

1.地址映射（存：装入）：
map，主存当中的一个块，如果要放到cache当中的话，它可以被放到cache的哪一个块或者那些块当中，这就是映射规则。
2.变换结构（取：查找）：
把主存的块号给它转换成相应的cache的块号，或者把主存的地址转换成cache的地址，在cache当中找到相应的主存块进行访问。
3.替换算法

1.4 Cache的读操作

1.5 Cache的写操作

Cache和主存的一致性问题：

• 写直法：
  写操作时数据既写入主存又写入cache
  写操作的时间就是访问主存的时间
  cache块退出时不需要对主存执行写操作，更新策略比较容易实现
  但对于累加求和的程序，需要反复访存
• 写回法
  写操作时只把数据写入cache而不写入主存
  当Cache数据被替换出去时才写回主存
  但保持不了一致性（并行计算机系统）

1.6 Cache的改进

（1）增加级数
片内cache
片外cache
（2）统一缓存和分立缓存
指令cache
数据cache
（与指令执行的控制方式有关：是否流水）

二、Cache——主存的地址映射

2.1、直接映射

定义：主存中的某一指定块，它只能映射到或者只能装载到某一指定的Cache块当中，任何一个区它的第一块只能放到Cache存储体的字块0当中，即

如果cpu给出一个地址，将其分为三部分：区号 | 块号 | 块内偏移地址
区号：主存字块标记（与“标记”占相同t位数）
块号：Cache字块地址
偏移地址：字块内地址

由于cache里面的字块0（第零块），它可能装载的是主存当中任何一个区大的第一块，到底是哪个区的第零块呢？需要将区号写到Cache存储体的“标记”当中。即“标记”记录主存的区号
根据Cache字块地址可从Cache中找到块号，对于此块是否为要找的指定区的指定块，就需要将地址给出的区号与Cashe中现在的区号（标记）进行比较即可。

缺点：当第二次需要使用主存2的c次方的内容时，需要重新将内容代替Cache的第零块以及下面的块，因为直接映射的规则就是某一区的第一块只能放在cache第零块中。

每个缓存块 i 都可以和若干个主存块对应
但是每个主存块 j 只能和一个缓存块对应

2.2、全相联映射

主存当中任何一个块都可以被放入到Cache的任何一个块当中。只要Cache中有空闲块就可以将主存块调入进来，提高了Cache利用率。但是如果主存中某一块调入Cache中，那它可能在Cache的任意一个块中，所以需要将主存地址的主存块号标记与Cache中的所有块的标记进行比较（直接映射是直接从Cache中找块，然后只需要一次比较即可，即主存块号标记与Cache中该块的标记进行比较），另外比较器的长度也会长（t+c）。

2.3、组相联映射

折中方案：既不是随意放，也不是指定放，而是指定部分位置随意放。

1.先把Cache分成块，这些块再被划分成若干个组。
每组当中包含两块。

2.再将主存分成块，这些块进行划分成区，每个区的大小和Cache中组数是相同的（每个区的块数=组数）。
主存储器的第零块可以放在Cache第零组的任意一个位置（全相联的特性），而区号指定对应标记（直接映射的特性）。

这就保证了同一区的块，只要满足对应组内有位置，就可以调入（全相联的特性）。

当需要查看是否已存在Cache中时，只需要给出区号和区内块号，给出块的标号（j）后，就可以找到（映射Q）给定的组（i），将给定的组当中的几个块的标记与区号进行比较即可，不需要和每一个Cache块比较（直接映射特性）。

三、替换算法

四、设计

4.1 设计流程

• 1 指令读取

由于主存访问trace以文件形式给出， trace文件下载 所以需要从文件中读取访存trace。其中trace的格式如下：

s 0x1fffff50 1

每行的第一个字符是表示该条指令的类型，s为写（store），r为读（read）。中间的十六进制数为内存地址，最后一个整数是指存储器访问指令之间的间隔指令数。例如第5条指令和第10条指令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。 我们写的模拟器中暂不考虑最后这个参数的使用。

• 2 对一条指令进行分析

在从trace文件中读取一条指令之后，对指令进行分析，对地址进行变换，查看地址里的数据是否在cache中，获得命中与否的结果。

• 3 检查是否命中

通过对地址进行操作，检查是否命中

• 4 查找空闲line

如果读命中，则只需要更新时间戳，如果是写操作，则标记脏位。 如果之前没有命中，则需要从当前Cache中找到可以使用的块，优先当前是invaild状态的line，否则执行替换算法，找到需要被替换的块，同时如果要替换的块中原来的数据是脏的，写回到内存中。

• 5 将数据加载到cache line中

如果miss，通过1.4找到可以放置数据的cache line，下一步则就是将数据从主存中加载到cache line上。

4.2文件编写

4.2.1Cache_line类

Cache_Line单独做一个类，tag采用无符号32位

class Cache_Line {
public:
    _u32 tag;
    /**计数，FIFO里记录最一开始的访问时间，LRU里记录上一次访问的时间*/
    union {
        _u32 count;
        _u32 lru_count;
        _u32 fifo_count;
    };
    _u8 flag;
    _u8 *buf;
};

count用来记录访问的时间，采用union数据结构，后面在更新count的时候，只需要针对不同的替换算法，进行特殊赋值即可，而且不会导致一直使用count出现的思路混乱。这个值的变化后面讲替换算法重点说明。 buf本意是存储内存里的数据，参看上一章中结构说明的bank。 flag则是一些标记位的存储:

位数	7~3	2	1	0
作用	保留	Locking位	脏位	有效位

4.2.2 变量

变量	意义
cache_size	cache总大小，单位byte
cache_line_size	一个cache line的大小，单位byte
cache_line_num	cache一共有多少个line
cache_mapping_ways	几路组相联
cache_set_size	整个cache有多少组(set)
cache_set_shifts	在内存地址划分中占的位数，log2(cache_set_size)
cache_line_shifts	在内存地址划分中占的位数，log2(cache_line_num)
caches	真正的cache数组
tick_count	指令计数器
cache_buf	cache bank，存内存数据的地方
cache_free_num	当前空闲cache line的数量
cache_r_count, cache_w_count	cache读写内存总数据量
cache_hit_count, cache_miss_count	hit和miss计数
swap_style	替换算法

4.2.3 函数

函数	功能
check_cache_hit	检查是否命中
get_cache_free_line	获得当前空闲的cache line，如果没有空闲的则执行替换算法，返回一个可以替换的块
set_cache_line	将内存中的数据加载到通过get_cache_free_line获得的cache line上去
do_cache_op	对一条指令进行分析
load_trace	加载trace文件，开始进行分析
set_swap_style	设置本次的缓存替换算法

4.2.4 常量

const unsigned char CACHE_FLAG_VAILD = 0x01;	//有效位
const unsigned char CACHE_FLAG_DIRTY = 0x02; //脏位
const unsigned char CACHE_FLAG_LOCK = 0x04; //Lock位
const unsigned char CACHE_FLAG_MASK = 0xff;	//初始化

对应本文中的第一个表格，lock位是留着后面做cache locking用的。后续会修改项目实现这个功能。CACHE_FLAG_MASK主要是在写入cache line时进行初始化flag用到。其他则是通过与cache line中的flag进行&操作，判断有效性或者脏位与否。

五、详细实现

5.1 程序入口

main.cpp主要针对一个测试文件，配置了不同cache line大小，不同组相联路数，不同的替换策略。默认使用写回法。默认cache大小32KB（0x8000 Bytes）。 在每次循环里，首先初始化cache的配置，然后设置替换策略，最后读入trace文件并开始模拟内存读写过程。

5.2 初始化

在类CacheSim的构造函数里，主要根据上一章一些变量的意义进行了初始化，主要还是注意shifts的两个变量，使用库函数log2()算出位数。 cache line实际是存储在caches变量中，memset填充0，则cache line的flag默认也是填充的0。 注意记得析构函数中对caches和cache_buf的释放。

5.3 load_trace 加载trace文件函数

通过fgets函数读文件到buf字符数组里，然后sscanf从buf里格式化读入一行指令，注意，原文件里是s 0x1fffff50 1的格式，最后一个参数我们先不考虑，因此只读入了指令类型（store or read）和内存地址。 通过判断style来决定是读还是写，每读取（执行）一条，我们的tick_count就++，同样用来记录是读写的计数器也相应++。 rcount/wcount是来统计读写指令的数量，而cache_r_count/cache_w_count是统计内存和cache进行数据读写的次数。在cache miss找到替换line时，如果找到的line中是脏数据，需要将其写回到内存中，此时就产生了数据通信，同样将数据从内存中加载到这个替换line中也有数据通信。 trace文件处理完成后，就是打印结果。目前主要关注的三个方面：

• 指令计数
• miss率/hit率
• 读写数据通信

5.4 check_cache_hit 检查是否cache命中

do_cache_op分析一条指令

传入参数是地址和读写的标记（s or r）。对于load和store指令而言，只有两种情况：hit or miss。则中间主要涉及三个部分：检查是否命中、命中之后的操作、miss之后的操作。

int CacheSim::check_cache_hit(_u32 set_base, _u32 addr) {
    /**循环查找当前set的所有way（line），通过tag匹配，查看当前地址是否在cache中*/
    _u32 i;
    for (i = 0; i < cache_mapping_ways; ++i) {
        if ((caches[set_base + i].flag & CACHE_FLAG_VAILD) && (caches[set_base + i].tag == ((addr >> (cache_set_shifts + cache_line_shifts))))) {
            return set_base + i;
        }
    }
    return -1;
}

int CacheSim::check_cache_hit(_u32 set_base, _u32 addr) 

检查命中的传参有两个，一个是set的基址，一个是当前trace中的内存地址。

set = (addr >>cache_line_shifts) % cache_set_size;
set_base = set * cache_mapping_ways;

根据组相联中我们对地址的区域划分，来获取当前地址映射到了cache的哪一个set中去了。（line占的位数是块内偏移地址，set占的位数是组索引，所以去掉line占的位数，带着剩余的高位，即tag+set，直接取余，或者去掉tag占的高位后进行取余也许）

而cache在模拟器中是作为一维数组对待的，所以还需要获取这个set的首地址。（知道了第几组，那么首地址=组数*组的大小）

命中与否的判定则是根据tag的匹配情况，如果当前地址addr的tag和我们cache中映射set中的某一个line tag相同(caches[set_base + i].tag == ((addr >> (cache_set_shifts + cache_line_shifts))))，且这个line是有效的(caches[set_base + i].flag & CACHE_FLAG_VAILD)，那么返回这个line的在这个一维数组cache的index（即第几个cache line /块号）。如果当前set中没有找到，说明这个addr中的数据并没有加载到cache上，返回-1。

5.5 命中之后的操作

if (index >= 0) {
    cache_hit_count++;
    //只有在LRU的时候才更新时间戳，第一次设置时间戳是在被放入数据的时候。所以符合FIFO
    if (CACHE_SWAP_LRU == swap_style)
        caches[index].lru_count = tick_count;
    //直接默认配置为写回法，即要替换或者数据脏了的时候才写回。
    //命中了，如果是改数据，不直接写回，而是等下次，即没有命中，但是恰好匹配到了当前line的时候，这时的标记就起作用了，将数据写回内存
    if (!is_read)
        caches[index].flag |= CACHE_FLAG_DIRTY;
}

如果命中了，皆大欢喜，命中计数++，如果替换算法是LRU，则更新一下时间戳（有关时间戳的事情后面会详细说明）。 如果是一个写内存的操作，则需要把命中的这个cache line标志设置为脏，因为指令的意思是往这个内存地址写数据，而cache中原来有一份数据，由于我们的默认cache写的方式是写回法（写回法，write back，即写cache时不写入主存，而当cache数据被替换出去时才写回主存），因此这里只是先标记为脏数据，等该line要被替换出去的时候，再把该line中的数据写回到内存。

5.6 未命中后的操作

index = get_cache_free_line(set_base);
set_cache_line((_u32)index, addr);
if (is_read) {
    cache_r_count++;
} else {
    cache_w_count++;
}
cache_miss_count++;

如果miss了，先获得可用的line（5.7）（可能是当前set恰好不满，有空闲，也可能是通过替换算法获得可以替换的line），然后将addr内存地址中的数据写入到cache line里，相应的读写通信次数也要++，cache_r_count已经在5.3中的load_trace函数部分介绍过了。

5.7 get_cache_free_line获得当前可用的line函数

_u32 CacheSim::get_cache_free_line(_u32 set_base)
当然是从当前映射的set里找可用的line，传入在“一维数组”的cache里映射set的index。

for (i = 0; i < cache_mapping_ways; ++i) {
    if (!(caches[set_base + i].flag & CACHE_FLAG_VAILD)) {
        if (cache_free_num > 0)
            cache_free_num--;
        return set_base + i;
    }
}

循环当前set一遍，判断标志位中的有效位，如果有无效的cache line，那么就意味这个line是“空闲”的。直接返回它的index即可。 循环完都没有找到，说名当前的cache set是满的，那么执行替换算法：

free_index = 0;
if(CACHE_SWAP_RAND == swap_style){
    free_index = rand() % cache_mapping_ways;
}else{			//FIFO
    min_count = caches[set_base].count;
    for (j = 1; j < cache_mapping_ways; ++j) {
        if(caches[set_base + j].count < min_count ){
            min_count = caches[set_base + j].count;
            free_index = j;
        }
    }
}

if (CACHE_SWAP_LRU == swap_style)
    caches[index].lru_count = tick_count;

随机替换算法的种子在CacheSim的构造函数里进行过初始化了。 对于FIFO(First in, first out)先进先出替换算法，其cache line的时间戳记录的是这个line被填充数据时的时间，即进入“使用队列”时的时间，因此FIFO是找到最先进入这个队列的line，将其替换出去。 LRU(Least Recently Used)最近最少使用替换算法，则当line被访问的时候，就需要更新其时间戳，因此在do_cache_op函数里，当cache 命中时，需要更新其时间戳。

min_count在FIFO中获得是最早进入队列的line，而在LRU中，则是这个队列中已经很长时间没有访问的line。

如果通过替换算法获得的这个line中原有的数据是脏数据，那么标记其脏位

if (caches[free_index].flag & CACHE_FLAG_DIRTY) {
    caches[free_index].flag &= ~CACHE_FLAG_DIRTY;
    cache_w_count++;
}

5.8 set_cache_line将cache line中的数据写回到内存函数

void CacheSim::set_cache_line(_u32 index, _u32 addr) {
    Cache_Line *line = caches + index;
    // 这里每个line的buf和整个cache类的buf是重复的而且并没有填充内容。
    line->buf = cache_buf + cache_line_size * index;
    // 更新这个line的tag位
    line->tag = addr >> (cache_set_shifts + cache_line_shifts );
    line->flag = (_u8)~CACHE_FLAG_MASK;
    line->flag |= CACHE_FLAG_VAILD;
    line->count = tick_count;
}

传入的是“一维数组”cache中要写回的line的index以及要写入line的内存地址。 这里的buf并没有什么作用，只是表示将内存里的数据写入了当前这个line，而在我们的cache模拟器里，并没有真正的数据流动。 更新tag则根据第一章中地址划分的内容，对addr进行移位操作即可。 flag先清空，CACHE_FLAG_MASK = 0xff则~CACHE_FLAG_MASK = 0x00，然后将最后一位有效位置为有效，并更新时间戳。

完成后代码会放在评论区