CPU cache(下)

四、cache的写策略

内存的数据被加载到了cache后，在某个时刻其要被写回内存，对于这个时刻的选取，有如下几个不同的策略。

write-through:所谓write-through,就是指在CPU改写一个cache line后，cache line也被CPU写回内存。这种策略保证了在任何时刻，内存的数据和cache中的数据都是同步的，因此write-through最容易实现cache的一致性。显然，由于CPU要频繁地将cache里的被修改的数据写回内存，这种方法最大的缺点就是速度慢，效率低。假设一段程序在频繁地修改一个局部变量，那么尽管这个局部变量的生命周期很短，而且其他程序也用不到它，CPU依然会频繁地在cache和内存之间交换数据，这样会大大增加FSB总线(见《从硬件的体系结构开始》)上的数据流量。

write-back:write-back相对于write-through而言是一种更精炼的方法，采用write-back策略，CPU在改写了cache line后，并不是马上把其写回内存，而是将该cache line标志为dirty。只有当cache中发生一次cache miss，其他的数据要占用该cache line时，CPU才会把其写回内存。在实现write-back策略时，有一个重要的问题是需要被考虑到的，当多个处理器访问同一内存时，必须保证所有处理器所看到的内存内容是相同的，也就是一致性的问题。当一个cache line被一个处理器设置为dirty后，另一个处理器要访问同一内存，那么显然，该处理器真正需要的数据是前者的cache里的数据，而不是内存中还未更新的数据，后面会讲解这个问题是如何解决的。

在此之前我们再来看两种写策略，分别是write-combining和uncacheable. 这两种策略都是针对特殊的地址空间来使用的。

write-combining是针对于具体设备内存(如显卡的RAM)的一种优化处理策略。对于这些设备来说，数据从cache到内存转移的开销比直接访问相应的RAM的开销还要高得多，所以应该尽量避免过多的数据转移。试想，如果一个cache line里的字被改写了，CPU将其写回内存，紧接着又一个字被改写了，CPU又将该cache line写回内存，这样就显得低效，符合这种情况的一个例子就是显示屏上水平相连的像素点数据。write-combining策略的引入就是为了解决这种问题，顾名思义，这种策略就是当一个cache line里的数据一个字一个字地都被改写完了之后，才将该cache line写回到内存中。

uncacheable内存是一部分特殊的内存，该内存里的数据时硬编码的，可以不需要CPU的控制就能实现一些功能，比如用来访问一些链接在外部总线(如PCIe,etc)的设备而被映射的地址空间。PCI card中的内存可以不依赖CPU的控制就能发生改变，所以它是不需要被缓存的。

五、多处理器支持

在一个典型的系统中，几个cache通过共享总线来连接到内存，而这些cache又分别附属给几个不同的CPU。这些cache的共同目标就是尽可能减少对主存的使用。为了解决cache的一致性问题，cache的设计者们引入了很多不同的协议，其中MESI协议被广泛用于支持write-back cache. 还记得在前面说过，数据cache中用两位来表示一个cache line的状态，MESI协议中利用这两位组成4种状态，分别是Modified,Exclusive,Shared和Invalid，下面说明这四种状态的含义

Modified:本地处理器修改了cache line中的数据，并且数据只存在于这一个cache中，在其他cache中没有备份。

Exclusive:cache line中的数据没有被修改，并且数据只存在于这一个cache中，在其他cache中没有备份。

Shared:cache line中的数据没有本修改，该数据有可能在其他cache中有备份。

Invalid:cache line中的数据是无效的。

下面给出各个状态之间的转换图：

每两个状态之间的转换说明，网上有一位朋友描述得很详细，我将他总结的贴在下面

当前状态	事件	行为	下一个状态
I(Invalid)	Local Read	如果其它Cache没有这份数据，本Cache从内存中取数据，Cache line状态变成E； 如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中取数据，2个Cache 的Cache line状态都变成S； 如果其它Cache有这份数据，且状态为S或者E，本Cache从内存中取数据，这些Cache 的Cache line状态都变成S	E/S
Local Write	从内存中取数据，在Cache中修改，状态变成M； 如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则要先将数据更新到内存； 如果其它Cache有这份数据，则其它Cache的Cache line状态变成I	M
Remote Read	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
Remote Write	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
E(Exclusive)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	E
Local Write	修改Cache中的数据，状态变成M	M
Remote Read	数据和其它核共用，状态变成了S	S
Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I	I
S(Shared)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	S
Local Write	修改Cache中的数据，状态变成M， 其它核共享的Cache line状态变成I	M
Remote Read	状态不变	S
Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I	I
M(Modified)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	M
Local Write	修改Cache中的数据，状态不变	M
Remote Read	这行数据被写到内存中，使其它核能使用到最新的数据，状态变成S	S
Remote Write	这行数据被写到内存中，使其它核能使用到最新的数据，由于其它核会修改这行数据，状态变成I	I

MESI状态迁移

（注：该表引自http://blog.csdn.net/muxiqingyang/article/details/6615199）

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http://blog.csdn.net/vanbreaker/article/details/7477853