每个程序员都应该了解的内存知识(2)

【原文：http://www.cnblogs.com/mikewolf2002/archive/2013/04/13/3017855.html】 英文原帖： http://lwn.net/Articles/252125/ 原翻译贴： http://www.oschina.net/translate/what-every-programmer-should-know-about-cpu-cache-part2 现在的CPU比25年前

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英文原帖：http://lwn.net/Articles/252125/

原翻译贴：http://www.oschina.net/translate/what-every-programmer-should-know-about-cpu-cache-part2

现在的CPU比25年前要精密得多了。在那个年代，CPU的频率与内存总线的频率基本在同一层面上。内存的访问速度仅比寄存器慢那么一点点。但是，这一局面在上世纪90年代被打破了。CPU的频率大大提升，但内存总线的频率与内存芯片的性能却没有得到成比例的提升。并不是因为造不出更快的内存，只是因为太贵了。内存如果要达到目前CPU那样的速度，那么它的造价恐怕要贵上好几个数量级。

如果有两个选项让你选择，一个是速度非常快、但容量很小的内存，一个是速度还算快、但容量很多的内存，如果你的工作集比较大，超过了前一种情况，那么人们总是会选择第二个选项。原因在于辅存(一般为磁盘)的速度。由于工作集超过主存，那么必须用辅存来保存交换出去的那部分数据，而辅存的速度往往要比主存慢上好几个数量级。

好在这问题也并不全然是非甲即乙的选择。在配置大量DRAM的同时，我们还可以配置少量SRAM。将地址空间的某个部分划给SRAM，剩下的部分划给DRAM。一般来说，SRAM可以当作扩展的寄存器来使用。

上面的做法看起来似乎可以，但实际上并不可行。首先，将SRAM内存映射到进程的虚拟地址空间就是个非常复杂的工作，而且，在这种做法中，每个进程都需要管理这个SRAM区内存的分配。每个进程可能有大小完全不同的SRAM区，而组成程序的每个模块也需要索取属于自身的SRAM，更引入了额外的同步需求。简而言之，快速内存带来的好处完全被额外的管理开销给抵消了。

基于以上的原因，我们不将SRAM放在OS或用户的控制下，而是将它交由处理器来使用和管理。在这种模式下，SRAM用于对存储在主存中、即将使用的数据进行临时拷贝(换句话说，缓存)。这种做法的依据是程序代码和数据具有时间局部性和空间局部性。也就是说，在一段较短的时间内，同一份代码和数据有很大的可能被重复使用。对代码来说，是循环，即同一段代码被反复执行(完美的 空间局部性)。对数据来说，是反复访问某一小片区域中的数据。即使在短时间内对内存的访问并不连续，但仍有很大可能在不长的时间内重复访问同一份数据( 空间局部性)。这两个局部性是我们理解CPU高速缓存的关键。

我们先用一个简单的计算来展示一下高速缓存的效率。假设，访问主存需要200个周期，而访问高速缓存需要15个周期。如果使用100个数据元素100次，那么在没有高速缓存的情况下，需要2000000个周期，而在有高速缓存、而且所有数据都已被缓存的情况下，只需要168500个周期。节约了91.5%的时间。

用作高速缓存的SRAM容量比主存小得多。以我的经验来说，高速缓存的大小一般是主存的千分之一左右(目前一般是4GB主存、4MB缓存)。这一点本身并不是什么问题。只是，计算机一般都会有比较大的主存，因此工作集的大小总是会大于缓存。特别是那些运行多进程的系统，它的工作集大小是所有进程加上内核的总和。

处理高速缓存大小的限制需要制定一套很好的策略来决定在给定的时间内什么数据应该被缓存。由于不是所有数据的工作集都是在完全相同的时间段内被使用的，我们可以用一些技术手段将需要用到的数据临时替换那些当前并未使用的缓存数据。这种预取将会减少部分访问主存的成本，因为它与程序的执行是异步的。所有的这些技术将会使高速缓存在使用的时候看起来比实际更大。我们将在3.3节讨论这些问题。 我们将在第6章讨论如何让这些技术能很好地帮助程序员，让处理器更高效地工作。

3.1 高速缓存的位置

在深入介绍高速缓存的技术细节之前，有必要说明一下它在现代计算机系统中所处的位置。

图3.1: 最简单的高速缓存配置图

图3.1展示了最简单的高速缓存配置。早期的一些系统就是类似的架构。在这种架构中，CPU核心不再直连到主存。{在一些更早的系统中，高速缓存像CPU与主存一样连到系统总线上。那种做法更像是一种hack，而不是真正的解决方案。}数据的读取和存储都经过高速缓存。CPU核心与高速缓存之间是一条特殊的快速通道。在简化的表示法中，主存与高速缓存都连到系统总线上，这条总线同时还用于与其它组件通信。我们管这条总线叫“FSB”——就是现在称呼它的术语，参见第2.2节。在这一节里，我们将忽略北桥。

在过去的几十年，经验表明使用了冯诺伊曼结构的计算机，将用于代码和数据的高速缓存分开是存在巨大优势的。自1993年以来，Intel 并且一直坚持使用独立的代码和数据高速缓存。由于所需的代码和数据的内存区域是几乎相互独立的，这就是为什么独立缓存工作得更完美的原因。近年来，独立缓存的另一个优势慢慢显现出来：常见处理器解码 指令的步骤 是缓慢的，尤其当管线为空的时候，往往会伴随着错误的预测或无法预测的分支的出现， 将高速缓存技术用于指令解码可以加快其执行速度。

在高速缓存出现后不久，系统变得更加复杂。高速缓存与主存之间的速度差异进一步拉大，直到加入了另一级缓存。新加入的这一级缓存比第一级缓存更大，但是更慢。由于加大一级缓存的做法从经济上考虑是行不通的，所以有了二级缓存，甚至现在的有些系统拥有三级缓存，如图3.2所示。随着单个CPU中核数的增加，未来甚至可能会出现更多层级的缓存。

图3.2: 三级缓存的处理器

图3.2展示了三级缓存，并介绍了本文将使用的一些术语。L1d是一级数据缓存，L1i是一级指令缓存，等等。请注意，这只是示意图，真正的数据流并不需要流经上级缓存。CPU的设计者们在设计高速缓存的接口时拥有很大的*。而程序员是看不到这些设计选项的。

另外，我们有多核CPU，每个核心可以有多个“线程”。核心与线程的不同之处在于，核心拥有独立的硬件资源({早期的多核CPU甚至有独立的二级缓存。})。在不同时使用相同资源(比如，通往外界的连接)的情况下，核心可以完全独立地运行。而线程只是共享资源。Intel的线程只有独立的寄存器，而且还有限制——不是所有寄存器都独立，有些是共享的。综上，现代CPU的结构就像图3.3所示。

图3.3 多处理器、多核心、多线程

在上图中，有两个处理器，每个处理器有两个核心，每个核心有两个线程。线程们共享一级缓存。核心(以深灰色表示)有独立的一级缓存，同时共享二级缓存。处理器(淡灰色)之间不共享任何缓存。这些信息很重要，特别是在讨论多进程和多线程情况下缓存的影响时尤为重要。

3.2 高级的缓存操作

了解成本和节约使用缓存，我们必须结合在第二节中讲到的关于计算机体系结构和RAM技术，以及前一节讲到的缓存描述来探讨。

默认情况下，CPU核心所有的数据的读或写都存储在缓存中。当然，也有内存区域不能被缓存的，但是这种情况只发生在操作系统的实现者对数据考虑的前提下；对程序实现者来说，这是不可见的。这也说明，程序设计者可以故意绕过某些缓存，不过这将是第六节中讨论的内容了。

如果缓存线长度为2^O，那么地址的低O位用作线内偏移量。上面的S位选择“缓存集”。后面我们会说明使用缓存集的原因。现在只需要明白一共有2^S个缓存集就够了。。它们用来区分别名相同的各条线{有相同S部分的缓存线被称为有相同的别名。}用于定位缓存集的S部分不需要存储，因为属于同一缓存集的所有线的S部分都是相同的。

当某条指令修改内存时，仍然要先装入缓存线，因为任何指令都不可能同时修改整条线(只有一个例外——第6.1节中将会介绍的写合并(write-combine))。因此需要在写操作前先把缓存线装载进来。如果缓存线被写入，但还没有写回主存，那就是所谓的“脏了”。脏了的线一旦写回主存，脏标记即被清除。

为了装入新数据，基本上总是要先在缓存中清理出位置。L1d将内容逐出L1d，推入L2(线长相同)。当然，L2也需要清理位置。于是L2将内容推入L3，最后L3将它推入主存。这种逐出操作一级比一级昂贵。这里所说的是现代AMD和VIA处理器所采用的独占型缓存(exclusive cache)。而Intel采用的是包容型缓存(inclusive cache)，{并不完全正确，Intel有些缓存是独占型的，还有一些缓存具有独占型缓存的特点。}L1d的每条线同时存在于L2里。对这种缓存，逐出操作就很快了。如果有足够L2，对于相同内容存在不同地方造成内存浪费的缺点可以降到最低，而且在逐出时非常有利。而独占型缓存在装载新数据时只需要操作L1d，不需要碰L2，因此会比较快。

处理器体系结构中定义的作为存储器的模型只要还没有改变，那就允许多CPU按照自己的方式来管理高速缓存。这表示，例如，设计优良的处理器，利用很少或根本没有内存总线活动，并主动写回主内存脏高速缓存行。这种高速缓存架构在如x86和x86-64各种各样的处理器间存在。制造商之间，即使在同一制造商生产的产品中，证明了的内存模型抽象的力量。

在对称多处理器（SMP）架构的系统中，CPU的高速缓存不能独立的工作。在任何时候，所有的处理器都应该拥有相同的内存内容。保证这样的统一的内存视图被称为“高速缓存一致性”。如果在其自己的高速缓存和主内存间，处理器设计简单，它将不会看到在其他处理器上的脏高速缓存行的内容。从一个处理器直接访问另一个处理器的高速缓存这种模型设计代价将是非常昂贵的，它是一个相当大的瓶颈。相反，当另一个处理器要读取或写入到高速缓存线上时，处理器会去检测。

如果CPU检测到一个写访问，而且该CPU的cache中已经缓存了一个cache line的原始副本，那么这个cache line将被标记为无效的cache line。接下来在引用这个cache line之前，需要重新加载该cache line。需要注意的是读访问并不会导致cache line被标记为无效的。

更精确的cache实现需要考虑到其他更多的可能性，比如第二个CPU在读或者写他的cache line时，发现该cache line在第一个CPU的cache中被标记为脏数据了，此时我们就需要做进一步的处理。在这种情况下，主存储器已经失效，第二个CPU需要读取第一个CPU的cache line。通过测试，我们知道在这种情况下第一个CPU会将自己的cache line数据自动发送给第二个CPU。这种操作是绕过主存储器的，但是有时候存储控制器是可以直接将第一个CPU中的cache line数据存储到主存储器中。对第一个CPU的cache的写访问会导致本地cache line的所有拷贝被标记为无效。

随着时间的推移，一大批缓存一致性协议已经建立。其中，最重要的是MESI,我们将在第3.3.4节进行介绍。以上结论可以概括为几个简单的规则:

1. 一个脏缓存线不存在于任何其他处理器的缓存之中。
2. 同一缓存线中的干净拷贝可以驻留在任意多个其他缓存之中。
3. 如果遵守这些规则,处理器甚至可以在多处理器系统中更加有效的使用它们的缓存。所有的处理器需要做的就是监控其他每一个写访问和比较本地缓存中的地址。在下一节中,我们将介绍更多细节方面的实现,尤其是存储开销方面的细节。

最后，我们至少应该关注高速缓存命中或未命中带来的消耗。下面是英特尔奔腾 M 的数据：

这是在CPU周期中的实际访问时间。有趣的是，对于L2高速缓存的访问时间很大一部分（甚至是大部分）是由线路的延迟引起的。这是一个限制，增加高速缓存的大小变得更糟。只有当减小时（例如，从60纳米的Merom到45纳米Penryn处理器），可以提高这些数据。

表格中的数字看起来很高，但是，幸运的是，整个成本不必负担每次出现的缓存加载和缓存失效。某些部分的成本可以被隐藏。现在的处理器都使用不同长度的内部管道，在管道内指令被解码，并为准备执行。如果数据要传送到一个寄存器，那么部分的准备工作是从存储器（或高速缓存）加载数据。如果内存加载操作在管道中足够早的进行，它可以与其他操作并行发生，那么加载的全部发销可能会被隐藏。对L1D常常可能如此；某些有长管道的处理器的L2也可以。
提早启动内存的读取有许多障碍。它可能只是简单的不具有足够资源供内存访问，或者地址从另一个指令获取，然后加载的最终地址才变得可用。在这种情况下，加载成本是不能隐藏的（完全的）。

对于写操作，CPU并不需要等待数据被安全地放入内存。只要指令具有类似的效果，就没有什么东西可以阻止CPU走捷径了。它可以早早地执行下一条指令，甚至可以在影子寄存器(shadow register)的帮助下，更改这个写操作将要存储的数据。

图3.4: 随机写操作的访问时间

图3.4展示了缓存的效果。关于产生图中数据的程序，我们会在稍后讨论。这里大致说下，这个程序是连续随机地访问某块大小可配的内存区域。每个数据项的大小是固定的。数据项的多少取决于选择的工作集大小。Y轴表示处理每个元素平均需要多少个CPU周期，注意它是对数刻度。X轴也是同样，工作集的大小都以2的n次方表示。

图中有三个比较明显的不同阶段。很正常，这个处理器有L1d和L2，没有L3。根据经验可以推测出，L1d有2¹³字节，而L2有2²⁰字节。因为，如果整个工作集都可以放入L1d，那么只需不到10个周期就可以完成操作。如果工作集超过L1d，处理器不得不从L2获取数据，于是时间飘升到28个周期左右。如果工作集更大，超过了L2，那么时间进一步暴涨到480个周期以上。这时候，许多操作将不得不从主存中获取数据。更糟糕的是，如果修改了数据，还需要将这些脏了的缓存线写回内存。

看了这个图，大家应该会有足够的动力去检查代码、改进缓存的利用方式了吧？这里的性能改善可不只是微不足道的几个百分点，而是几个数量级呀。在第6节中，我们将介绍一些编写高效代码的技巧。而下一节将进一步深入缓存的设计。虽然精彩，但并不是必修课，大家可以选择性地跳过。

3.3 CPU缓存实现的细节

缓存的实现者们都要面对一个问题——主存中每一个单元都可能需被缓存。如果程序的工作集很大，就会有许多内存位置为了缓存而打架。前面我们曾经提过缓存与主存的容量比，1:1000也十分常见。

3.3.1 关联性

我们可以让缓存的每条线能存放任何内存地址的数据。这就是所谓的全关联缓存(fully associative cache)

Figure 3.5: 全关联高速缓存原理图

全关联高速缓存对小缓存是实用的（例如，在某些Intel处理器的TLB缓存是全关联的），但这些缓存都很小，非常小的。我们正在谈论的最多几十项。

Figure 3.6: Direct-Mapped Cache Schematics

在图3.6中可以看出，这种直接映射的高速缓存，速度快，比较容易实现。它只是需要一个比较器，一个多路复用器（在这个图中有两个，标记和数据是分离的，但是对于设计这不是一个硬性要求），和一些逻辑来选择只是有效的高速缓存行的内容。由于速度的要求，比较器是复杂的，但是现在只需要一个，结果是可以花更多的精力，让其变得快速。这种方法的复杂性在于在多路复用器。一个简单的多路转换器中的晶体管的数量增速是O（log N）的，其中N是高速缓存段的数目。这是可以容忍的，但可能会很慢，在某种情况下，速度可提升，通过增加多路复用器晶体管数量，来并行化的一些工作和自身增速。晶体管的总数只是随着快速增长的高速缓存缓慢的增加，这使得这种解决方案非常有吸引力。但它有一个缺点：只有用于直接映射地址的相关的地址位均匀分布，程序才能很好工作。如果分布的不均匀，而且这是常态，一些缓存项频繁的使用，并因此多次被换出，而另一些则几乎不被使用或一直是空的。

Figure 3.7: 组关联高速缓存原理图

其结果是高速缓存，不容易被不幸或故意选择同属同一组编号的地址所击败，同时高速缓存的大小并不限于由比较器的数目，可以以并行的方式实现。如果高速缓存增长，只（在该图中）增加列的数目，而不增加行数。只有高速缓存之间的关联性增加，行数才会增加。今天，处理器的L2高速缓存或更高的高速缓存，使用的关联性高达16。 L1高速缓存通常使用8。

Table 3.1: 高速缓存大小，关联行，段大小的影响

表3.1显示一个程序在改变缓存大小，缓存段大小和关联集大小，L2高速缓存的缓存失效数量（根据Linux内核相关的方面人的说法，GCC在这种情况下，是他们所有中最重要的标尺）。在7.2节中，我们将介绍工具来模拟此测试要求的高速缓存。

万一这还不是很明显，所有这些值之间的关系是高速缓存的大小为：

cache line size × associativity × number of sets

地址被映射到高速缓存使用

O = log ₂ cache line size
S = log ₂ number of sets

在第3.2节中的图显示的方式。

Figure 3.8: 缓存段大小 vs 关联行 (CL=32)

图3.8表中的数据更易于理解。它显示一个固定的32个字节大小的高速缓存行的数据。对于一个给定的高速缓存大小，我们可以看出，关联性，的确可以帮助明显减少高速缓存未命中的数量。对于8MB的缓存，从直接映射到2路组相联，可以减少近44％的高速缓存未命中。组相联高速缓存和直接映射缓存相比，该处理器可以把更多的工作集保持在缓存中。

在文献中，偶尔可以读到，引入关联性，和加倍高速缓存的大小具有相同的效果。在从4M缓存跃升到8MB缓存的极端的情况下，这是正确的。关联性再提高一倍那就肯定不正确啦。正如我们所看到的数据，后面的收益要小得多。我们不应该完全低估它的效果，虽然。在示例程序中的内存使用的峰值是5.6M。因此，具有8MB缓存不太可能有很多（两个以上）使用相同的高速缓存的组。从较小的缓存的关联性的巨大收益可以看出，较大工作集可以节省更多。

在一般情况下，增加8以上的高速缓存之间的关联性似乎对只有一个单线程工作量影响不大。随着介绍一个使用共享L2的多核处理器，形势发生了变化。现在你基本上有两个程序命中相同的缓存， 实际上导致高速缓存减半（对于四核处理器是1/4）。因此，可以预期，随着核的数目的增加，共享高速缓存的相关性也应增长。一旦这种方法不再可行（16 路组关联性已经很难）处理器设计者不得不开始使用共享的三级高速缓存和更高级别的，而L2高速缓存只被核的一个子集共享。

从图3.8中，我们还可以研究缓存大小对性能的影响。这一数据需要了解工作集的大小才能进行解读。很显然，与主存相同的缓存比小缓存能产生更好的结果，因此，缓存通常是越大越好。

上文已经说过，示例中最大的工作集为5.6M。它并没有给出最佳缓存大小值，但我们可以估算出来。问题主要在于内存的使用并不连续，因此，即使是16M的缓存，在处理5.6M的工作集时也会出现冲突(参见2路集合关联式16MB缓存vs直接映射式缓存的优点)。不管怎样，我们可以有把握地说，在同样5.6M的负载下，缓存从16MB升到32MB基本已没有多少提高的余地。但是，工作集是会变的。如果工作集不断增大，缓存也需要随之增大。在购买计算机时，如果需要选择缓存大小，一定要先衡量工作集的大小。原因可以参见图3.10。

图3.9: 测试的内存分布情况

我们执行两项测试。第一项测试是按顺序地访问所有元素。测试程序循着指针n进行访问，而所有元素是链接在一起的，从而使它们的被访问顺序与在内存中排布的顺序一致，如图3.9的下半部分所示，末尾的元素有一个指向首元素的引用。而第二项测试(见图3.9的上半部分)则是按随机顺序访问所有元素。在上述两个测试中，所有元素都构成一个单向循环链表。

3.3.2 Cache的性能测试

用于测试程序的数据可以模拟一个任意大小的工作集：包括读、写访问，随机、连续访问。在图3.4中我们可以看到，程序为工作集创建了一个与其大小和元素类型相同的数组：

  struct l {
    struct l *n;
    long int pad[NPAD];
  };

n字段将所有节点随机得或者顺序的加入到环形链表中，用指针从当前节点进入到下一个节点。pad字段用来存储数据，其可以是任意大小。在一些测试程序中，pad字段是可以修改的, 在其他程序中，pad字段只可以进行读操作。

在性能测试中，我们谈到工作集大小的问题，工作集使用结构体l定义的元素表示的。2^N 字节的工作集包含

2 ^N/sizeof(struct l)

个元素. 显然sizeof(struct l) 的值取决于NPAD的大小。在32位系统上，NPAD=7意味着数组的每个元素的大小为32字节，在64位系统上，NPAD=7意味着数组的每个元素的大小为64字节。

单线程顺序访问

最简单的情况就是遍历链表中顺序存储的节点。无论是从前向后处理，还是从后向前，对于处理器来说没有什么区别。下面的测试中，我们需要得到处理链表中一个元素所需要的时间，以CPU时钟周期最为计时单元。图3.10显示了测试结构。除非有特殊说明, 所有的测试都是在Pentium 4 64-bit 平台上进行的，因此结构体l中NPAD=0，大小为8字节。

图 3.10: 顺序读访问, NPAD=0

图 3.11: 顺序读多个字节

一开始的两个测试数据收到了噪音的污染。由于它们的工作负荷太小，无法过滤掉系统内其它进程对它们的影响。我们可以认为它们都是4个周期以内的。这样一来，整个图可以划分为比较明显的三个部分:

• 工作集小于2¹⁴字节的。
• 工作集从2¹⁵字节到2²⁰字节的。
• 工作集大于2²¹字节的。

这样的结果很容易解释——是因为处理器有16KB的L1d和1MB的L2。而在这三个部分之间，并没有非常锐利的边缘，这是因为系统的其它部分也在使用缓存，我们的测试程序并不能独占缓存的使用。尤其是L2，它是统一式的缓存，处理器的指令也会使用它(注: Intel使用的是包容式缓存)。

测试的实际耗时可能会出乎大家的意料。L1d的部分跟我们预想的差不多，在一台P4上耗时为4个周期左右。但L2的结果则出乎意料。大家可能觉得需要14个周期以上，但实际只用了9个周期。这要归功于处理器先进的处理逻辑，当它使用连续的内存区时，会 预先读取下一条缓存线的数据。这样一来，当真正使用下一条线的时候，其实已经早已读完一半了，于是真正的等待耗时会比L2的访问时间少很多。

在工作集超过L2的大小之后，预取的效果更明显了。前面我们说过，主存的访问需要耗时200个周期以上。但在预取的帮助下，实际耗时保持在9个周期左右。200 vs 9，效果非常不错。

我们可以观察到预取的行为，至少可以间接地观察到。图3.11中有4条线，它们表示处理不同大小结构时的耗时情况。随着结构的变大，元素间的距离变大了。图中4条线对应的元素距离分别是0、56、120和248字节。

图中最下面的这一条线来自前一个图，但在这里更像是一条直线。其它三条线的耗时情况比较差。图中这些线也有比较明显的三个阶段，同时，在小工作集的情况下也有比较大的错误(请再次忽略这些错误)。在只使用L1d的阶段，这些线条基本重合。因为这时候还不需要预取，只需要访问L1d就行。

在L2阶段，三条新加的线基本重合，而且耗时比老的那条线高很多，大约在28个周期左右，差不多就是L2的访问时间。这表明，从L2到L1d的预取并没有生效。这是因为，对于最下面的线(NPAD=0)，由于结构小，8次循环后才需要访问一条新缓存线，而上面三条线对应的结构比较大，拿相对最小的NPAD=7来说，光是一次循环就需要访问一条新线，更不用说更大的NPAD=15和31了。而预取逻辑是无法在每个周期装载新线的，因此每次循环都需要从L2读取，我们看到的就是从L2读取的时延。

另一个导致慢下来的原因是TLB缓存的未命中。TLB是存储虚实地址映射的缓存，参见第4节。为了保持快速，TLB只有很小的容量。如果有大量页被反复访问，超出了TLB缓存容量，就会导致反复地进行地址翻译，这会耗费大量时间。TLB查找的代价分摊到所有元素上，如果元素越大，那么元素的数量越少，每个元素承担的那一份就越多。

为了观察TLB的性能，我们可以进行另两项测试。第一项：我们还是顺序存储列表中的元素，使NPAD=7，让每个元素占满整个cache line，第二项：我们将列表的每个元素存储在一个单独的页上，忽略每个页没有使用的部分以用来计算工作集的大小。（这样做可能不太一致，因为在前面的测试中，我计算了结构体中每个元素没有使用的部分，从而用来定义NPAD的大小，因此每个元素占满了整个页，这样以来工作集的大小将会有所不同。但是这不是这项测试的重点，预取的低效率多少使其有点不同）。结果表明，第一项测试中，每次列表的迭代都需要一个新的cache line，而且每64个元素就需要一个新的页。第二项测试中，每次迭代都会在一个新的页中加载一个新的cache line。

图 3.12: TLB 对顺序读的影响

结果见图3.12。该测试与图3.11是在同一台机器上进行的。基于可用RAM空间的有限性，测试设置容量空间大小为2的24次方字节，这就需要1GB的容量将对象放置在分页上。图3.12中下方的红色曲线正好对应了图3.11中NPAD等于7的曲线。我们看到不同的步长显示了高速缓存L1d和L2的大小。第二条曲线看上去完全不同，其最重要的特点是当工作容量到达2的13次方字节时开始大幅度增长。这就是TLB缓存溢出的时候。我们能计算出一个64字节大小的元素的TLB缓存有64个输入。成本不会受页面错误影响，因为程序锁定了存储器以防止内存被换出。

可以看出，计算物理地址并把它存储在TLB中所花费的周期数量级是非常高的。图3.12的表格显示了一个极端的例子，但从中可以清楚的得到：TLB缓存效率降低的一个重要因素是大型NPAD值的减缓。由于物理地址必须在缓存行能被L2或主存读取之前计算出来，地址转换这个不利因素就增加了内存访问时间。这一点部分解释了为什么NPAD等于31时每个列表元素的总花费比理论上的RAM访问时间要高。

图3.13 NPAD等于1时的顺序读和写

通过查看链表元素被修改时测试数据的运行情况，我们可以窥见一些更详细的预取实现细节。图3.13显示了三条曲线。所有情况下元素宽度都为16个字节。第一条曲线“Follow”是熟悉的链表走线在这里作为基线。第二条曲线，标记为“Inc”，仅仅在当前元素进入下一个前给其增加thepad[0]成员。第三条曲线，标记为"Addnext0"， 取出下一个元素的thepad[0]链表元素并把它添加为当前链表元素的thepad[0]成员。

在没运行时，大家可能会以为"Addnext0"更慢，因为它要做的事情更多——在没进到下个元素之前就需要装载它的值。但实际的运行结果令人惊讶——在某些小工作集下，"Addnext0"比"Inc"更快。这是为什么呢？原因在于，系统一般会对下一个元素进行强制性预取。当程序前进到下个元素时，这个元素其实早已被预取在L1d里。因此，只要工作集比L2小，"Addnext0"的性能基本就能与"Follow"测试媲美。

但是，"Addnext0"比"Inc"更快离开L2，这是因为它需要从主存装载更多的数据。而在工作集达到2 ²¹字节时，"Addnext0"的耗时达到了28个周期，是同期"Follow"14周期的两倍。这个两倍也很好解释。"Addnext0"和"Inc"涉及对内存的修改，因此L2的逐出操作不能简单地把数据一扔了事，而必须将它们写入内存。因此FSB的可用带宽变成了一半，传输等量数据的耗时也就变成了原来的两倍。

图3.14: 更大L2/L3缓存的优势

决定顺序式缓存处理性能的另一个重要因素是缓存容量。虽然这一点比较明显，但还是值得一说。图3.14展示了128字节长元素的测试结果(64位机，NPAD=15)。这次我们比较三台不同计算机的曲线，两台P4，一台Core 2。两台P4的区别是缓存容量不同，一台是32k的L1d和1M的L2，一台是16K的L1d、512k的L2和2M的L3。Core 2那台则是32k的L1d和4M的L2。

图中最有趣的地方，并不是Core 2如何大胜两台P4，而是工作集开始增长到连末级缓存也放不下、需要主存热情参与之后的部分。

表3.2: 顺序访问与随机访问时L2命中与未命中的情况，NPAD=0

与我们预计的相似，最末级缓存越大，曲线停留在L2访问耗时区的时间越长。在220字节的工作集时，第二台P4(更老一些)比第一台P4要快上一倍，这要完全归功于更大的末级缓存。而Core 2拜它巨大的4M L2所赐，表现更为卓越。

对于随机的工作负荷而言，可能没有这么惊人的效果，但是，如果我们能将工作负荷进行一些裁剪，让它匹配末级缓存的容量，就完全可以得到非常大的性能提升。也是由于这个原因，有时候我们需要多花一些钱，买一个拥有更大缓存的处理器。

单线程随机访问模式的测量

前面我们已经看到，处理器能够利用L1d到L2之间的预取消除访问主存、甚至是访问L2的时延。

图3.15: 顺序读取vs随机读取，NPAD=0

但是，如果换成随机访问或者不可预测的访问，情况就大不相同了。图3.15比较了顺序读取与随机读取的耗时情况。

换成随机之后，处理器无法再有效地预取数据，只有少数情况下靠运气刚好碰到先后访问的两个元素挨在一起的情形。

图3.15中有两个需要关注的地方。首先，在大的工作集下需要非常多的周期。这台机器访问主存的时间大约为200-300个周期，但图中的耗时甚至超过了450个周期。我们前面已经观察到过类似现象(对比图3.11)。这说明，处理器的自动预取在这里起到了反效果。

其次，代表随机访问的曲线在各个阶段不像顺序访问那样保持平坦，而是不断攀升。为了解释这个问题，我们测量了程序在不同工作集下对L2的访问情况。结果如图3.16和表3.2。

从图中可以看出，当工作集大小超过L2时，未命中率(L2未命中次数/L2访问次数)开始上升。整条曲线的走向与图3.15有些相似: 先急速爬升，随后缓缓下滑，最后再度爬升。它与耗时图有紧密的关联。L2未命中率会一直爬升到100%为止。只要工作集足够大(并且内存也足够大)，就可以将缓存线位于L2内或处于装载过程中的可能性降到非常低。

缓存未命中率的攀升已经可以解释一部分的开销。除此以外，还有一个因素。观察表3.2的L2/#Iter列，可以看到每个循环对L2的使用次数在增长。由于工作集每次为上一次的两倍，如果没有缓存的话，内存的访问次数也将是上一次的两倍。在按顺序访问时，由于缓存的帮助及完美的预见性，对L2使用的增长比较平缓，完全取决于工作集的增长速度。

图3.16: L2d未命中率

图3.17: 页意义上(Page-Wise)的随机化，NPAD=7

NPAD=7对应于64字节，正好等于缓存线的长度。由于元素顺序随机，硬件预取不可能有任何效果，特别是在元素较多的情况下。这意味着，分块随机时的L2未命中率与整个列表随机时的未命中率没有本质的差别。随着块的增大，曲线逐渐逼近整个列表随机对应的曲线。这说明，在这个测试里，性能受到TLB命中率的影响很大，如果我们能提高TLB命中率，就能大幅度地提升性能(在后面的一个例子里，性能提升了38%之多)。

3.3.3 写入时的行为

在我们开始研究多个线程或进程同时使用相同内存之前，先来看一下缓存实现的一些细节。我们要求缓存是一致的，而且这种一致性必须对用户级代码完全透明。而内核代码则有所不同，它有时候需要对缓存进行转储(flush)。

这意味着，如果对缓存线进行了修改，那么在这个时间点之后，系统的结果应该是与没有缓存的情况下是相同的，即主存的对应位置也已经被修改的状态。这种要求可以通过两种方式或策略实现：

• 写通(write-through)
• 写回(write-back)

写通比较简单。当修改缓存线时，处理器立即将它写入主存。这样可以保证主存与缓存的内容永远保持一致。当缓存线被替代时，只需要简单地将它丢弃即可。这种策略很简单，但是速度比较慢。如果某个程序反复修改一个本地变量，可能导致FSB上产生大量数据流，而不管这个变量是不是有人在用，或者是不是短期变量。

写回比较复杂。当修改缓存线时，处理器不再马上将它写入主存，而是打上已弄脏(dirty)的标记。当以后某个时间点缓存线被丢弃时，这个已弄脏标记会通知处理器把数据写回到主存中，而不是简单地扔掉。

写回有时候会有非常不错的性能，因此较好的系统大多采用这种方式。采用写回时，处理器们甚至可以利用FSB的空闲容量来存储缓存线。这样一来，当需要缓存空间时，处理器只需清除脏标记，丢弃缓存线即可。

但写回也有一个很大的问题。当有多个处理器(或核心、超线程)访问同一块内存时，必须确保它们在任何时候看到的都是相同的内容。如果缓存线在其中一个处理器上弄脏了(修改了，但还没写回主存)，而第二个处理器刚好要读取同一个内存地址，那么这个读操作不能去读主存，而需要读第一个处理器的缓存线。在下一节中，我们将研究如何实现这种需求。

在此之前，还有其它两种缓存策略需要提一下:

• 写入合并
• 不可缓存

这两种策略用于真实内存不支持的特殊地址区，内核为地址区设置这些策略(x86处理器利用内存类型范围寄存器MTRR)，余下的部分自动进行。MTRR还可用于写通和写回策略的选择。

写入合并是一种有限的缓存优化策略，更多地用于显卡等设备之上的内存。由于设备的传输开销比本地内存要高的多，因此避免进行过多的传输显得尤为重要。如果仅仅因为修改了缓存线上的一个字，就传输整条线，而下个操作刚好是修改线上的下一个字，那么这次传输就过于浪费了。而这恰恰对于显卡来说是比较常见的情形——屏幕上水平邻接的像素往往在内存中也是靠在一起的。顾名思义，写入合并是在写出缓存线前，先将多个写入访问合并起来。在理想的情况下，缓存线被逐字逐字地修改，只有当写入最后一个字时，才将整条线写入内存，从而极大地加速内存的访问。

最后来讲一下不可缓存的内存。一般指的是不被RAM支持的内存位置，它可以是硬编码的特殊地址，承担CPU以外的某些功能。对于商用硬件来说，比较常见的是映射到外部卡或设备的地址。在嵌入式主板上，有时也有类似的地址，用来开关LED。对这些地址进行缓存显然没有什么意义。比如上述的LED，一般是用来调试或报告状态，显然应该尽快点亮或关闭。而对于那些PCI卡上的内存，由于不需要CPU的干涉即可更改，也不该缓存。

3.3.4 多处理器支持

在上节中我们已经指出当多处理器开始发挥作用的时候所遇到的问题。甚至对于那些不共享的高速级别的缓存（至少在L1d级别）的多核处理器也有问题。

直接提供从一个处理器到另一处理器的高速访问，这是完全不切实际的。从一开始，连接速度根本就不够快。实际的选择是，在其需要的情况下，转移到其他处理器。需要注意的是，这同样应用在相同处理器上无需共享的高速缓存。

现在的问题是，当该高速缓存线转移的时候会发生什么？这个问题回答起来相当容易：当一个处理器需要在另一个处理器的高速缓存中读或者写的脏的高速缓存线的时候。但怎样处理器怎样确定在另一个处理器的缓存中的高速缓存线是脏的？假设它仅仅是因为一个高速缓存线被另一个处理器加载将是次优的（最好的）。通常情况下，大多数的内存访问是只读的访问和产生高速缓存线，并不脏。在高速缓存线上处理器频繁的操作（当然，否则为什么我们有这样的文件呢？），也就意味着每一次写访问后，都要广播关于高速缓存线的改变将变得不切实际。

多年来，人们开发除了MESI缓存一致性协议(MESI=Modified, Exclusive, Shared, Invalid，变更的、独占的、共享的、无效的)。协议的名称来自协议中缓存线可以进入的四种状态:

• 变更的: 本地处理器修改了缓存线。同时暗示，它是所有缓存中唯一的拷贝。
• 独占的: 缓存线没有被修改，而且没有被装入其它处理器缓存。
• 共享的: 缓存线没有被修改，但可能已被装入其它处理器缓存。
• 无效的: 缓存线无效，即，未被使用。

MESI协议开发了很多年，最初的版本比较简单，但是效率也比较差。现在的版本通过以上4个状态可以有效地实现写回式缓存，同时支持不同处理器对只读数据的并发访问。

这里并没有揭示问题的另一方面，主要是用这个程序很难进行测量。问题是这样的，我们的测试程序修改了内存，所以本应看到RFO的影响，但在结果中，我们并没有在L2阶段看到更大的开销。原因在于，要看到RFO的影响，程序必须使用大量内存，而且所有线程必须同时访问同一块内存。如果没有大量的同步，这是很难实现的，而如果加入同步，则会占满执行时间。

图3.21: 随机的Addnextlast，多线程

最后，在图3.21中，我们展示了随机访问的Addnextlast测试的结果。这里主要是为了让大家感受一下这些巨大到爆的数字。极端情况下，甚至用了1500个周期才处理完一个元素。如果加入更多线程，真是不可想象哪。我们把多线程的效能总结了一下:

图3.18: MESI协议的状态跃迁图

在协议中，通过处理器监听其它处理器的活动，不需太多努力即可实现状态变更。处理器将操作发布在外部引脚上，使外部可以了解到处理过程。目标的缓存线地址则可以在地址总线上看到。在下文讲述状态时，我们将介绍总线参与的时机。

一开始，所有缓存线都是空的，缓存为无效(Invalid)状态。当有数据装进缓存供写入时，缓存变为变更(Modified)状态。如果有数据装进缓存供读取，那么新状态取决于其它处理器是否已经状态了同一条缓存线。如果是，那么新状态变成共享(Shared)状态，否则变成独占(Exclusive)状态。

如果本地处理器对某条Modified缓存线进行读写，那么直接使用缓存内容，状态保持不变。如果另一个处理器希望读它，那么第一个处理器将内容发给第一个处理器，然后可以将缓存状态置为Shared。而发给第二个处理器的数据由内存控制器接收，并放入内存中。如果这一步没有发生，就不能将这条线置为Shared。如果第二个处理器希望的是写，那么第一个处理器将内容发给它后，将缓存置为Invalid。这就是臭名昭著的"请求所有权(Request For Ownership,RFO)"操作。在末级缓存执行RFO操作的代价比较高。如果是写通式缓存，还要加上将内容写入上一层缓存或主存的时间，进一步提升了代价。

对于Shared缓存线，本地处理器的读取操作并不需要修改状态，而且可以直接从缓存满足。而本地处理器的写入操作则需要将状态置为Modified，而且需要将缓存线在其它处理器的所有拷贝置为Invalid。因此，这个写入操作需要通过RFO消息发通知其它处理器。如果第二个处理器请求读取，无事发生。因为主存已经包含了当前数据，而且状态已经为Shared。如果第二个处理器需要写入，则将缓存线置为Invalid。不需要总线操作。

Exclusive状态与Shared状态很像，只有一个不同之处: 在Exclusive状态时，本地写入操作不需要在总线上声明，因为本地的缓存是系统中唯一的拷贝。这是一个巨大的优势，所以处理器会尽量将缓存线保留在Exclusive状态，而不是Shared状态。只有在信息不可用时，才退而求其次选择shared。放弃Exclusive不会引起任何功能缺失，但会导致性能下降，因为E→M要远远快于S→M。

从以上的说明中应该已经可以看出，在多处理器环境下，哪一步的代价比较大了。填充缓存的代价当然还是很高，但我们还需要留意RFO消息。一旦涉及RFO，操作就快不起来了。

RFO在两种情况下是必需的:

• 线程从一个处理器迁移到另一个处理器，需要将所有缓存线移到新处理器。
• 某条缓存线确实需要被两个处理器使用。{对于同一处理器的两个核心，也有同样的情况，只是代价稍低。RFO消息可能会被发送多次。}

多线程或多进程的程序总是需要同步，而这种同步依赖内存来实现。因此，有些RFO消息是合理的，但仍然需要尽量降低发送频率。除此以外，还有其它来源的RFO。在第6节中，我们将解释这些场景。缓存一致性协议的消息必须发给系统中所有处理器。只有当协议确定已经给过所有处理器响应机会之后，才能进行状态跃迁。也就是说，协议的速度取决于最长响应时间。{这也是现在能看到三插槽AMD Opteron系统的原因。这类系统只有三个超级链路(hyperlink)，其中一个连接南桥，每个处理器之间都只有一跳的距离。}总线上可能会发生冲突，NUMA系统的延时很大，突发的流量会拖慢通信。这些都是让我们避免无谓流量的充足理由。

此外，关于多处理器还有一个问题。虽然它的影响与具体机器密切相关，但根源是唯一的——FSB是共享的。在大多数情况下，所有处理器通过唯一的总线连接到内存控制器(参见图2.1)。如果一个处理器就能占满总线(十分常见)，那么共享总线的两个或四个处理器显然只会得到更有限的带宽。

即使每个处理器有自己连接内存控制器的总线，如图2.2，但还需要通往内存模块的总线。一般情况下，这种总线只有一条。退一步说，即使像图2.2那样不止一条，对同一个内存模块的并发访问也会限制它的带宽。

对于每个处理器拥有本地内存的AMD模型来说，也是同样的问题。的确，所有处理器可以非常快速地同时访问它们自己的内存。但是，多线程呢？多进程呢？它们仍然需要通过访问同一块内存来进行同步。

对同步来说，有限的带宽严重地制约着并发度。程序需要更加谨慎的设计，将不同处理器访问同一块内存的机会降到最低。以下的测试展示了这一点，还展示了与多线程代码相关的其它效果。

多线程测量

为了帮助大家理解问题的严重性，我们来看一些曲线图，主角也是前文的那个程序。只不过这一次，我们运行多个线程，并测量这些线程中最快那个的运行时间。也就是说，等它们全部运行完是需要更长时间的。我们用的机器有4个处理器，而测试是做多跑4个线程。所有处理器共享同一条通往内存控制器的总线，另外，通往内存模块的总线也只有一条。

图3.19: 顺序读操作，多线程

图3.19展示了顺序读访问时的性能，元素为128字节长(64位计算机，NPAD=15)。对于单线程的曲线，我们预计是与图3.11相似，只不过是换了一台机器，所以实际的数字会有些小差别。

更重要的部分当然是多线程的环节。由于是只读，不会去修改内存，不会尝试同步。但即使不需要RFO，而且所有缓存线都可共享，性能仍然分别下降了18%(双线程)和34%(四线程)。由于不需要在处理器之间传输缓存，因此这里的性能下降完全由以下两个瓶颈之一或同时引起: 一是从处理器到内存控制器的共享总线，二是从内存控制器到内存模块的共享总线。当工作集超过L3后，三种情况下都要预取新元素，而即使是双线程，可用的带宽也无法满足线性扩展(无惩罚)。

当加入修改之后，场面更加难看了。图3.20展示了顺序递增测试的结果。

图3.20: 顺序递增，多线程

图中Y轴采用的是对数刻度，不要被看起来很小的差值欺骗了。现在，双线程的性能惩罚仍然是18%，但四线程的惩罚飙升到了93%！原因在于，采用四线程时，预取的流量与写回的流量加在一起，占满了整个总线。

我们用对数刻度来展示L1d范围的结果。可以发现，当超过一个线程后，L1d就无力了。单线程时，仅当工作集超过L1d时访问时间才会超过20个周期，而多线程时，即使在很小的工作集情况下，访问时间也达到了那个水平。

这里并没有揭示问题的另一方面，主要是用这个程序很难进行测量。问题是这样的，我们的测试程序修改了内存，所以本应看到RFO的影响，但在结果中，我们并没有在L2阶段看到更大的开销。原因在于，要看到RFO的影响，程序必须使用大量内存，而且所有线程必须同时访问同一块内存。如果没有大量的同步，这是很难实现的，而如果加入同步，则会占满执行时间。

图3.21: 随机的Addnextlast，多线程

最后，在图3.21中，我们展示了随机访问的Addnextlast测试的结果。这里主要是为了让大家感受一下这些巨大到爆的数字。极端情况下，甚至用了1500个周期才处理完一个元素。如果加入更多线程，真是不可想象哪。我们把多线程的效能总结了一下:

这个表展示了图3.21中多线程运行大工作集时的效能。表中的数字表示测试程序在使用多线程处理大工作集时可能达到的最大加速因子。双线程和四线程的理论最大加速因子分别是2和4。从表中数据来看，双线程的结果还能接受，但四线程的结果表明，扩展到双线程以上是没有什么意义的，带来的收益可以忽略不计。只要我们把图3.21换个方式呈现，就可以很容易看清这一点。

图3.22: 通过并行化实现的加速因子

图3.22中的曲线展示了加速因子，即多线程相对于单线程所能获取的性能加成值。测量值的精确度有限，因此我们需要忽略比较小的那些数字。可以看到，在L2与L3范围内，多线程基本可以做到线性加速，双线程和四线程分别达到了2和4的加速因子。但是，一旦工作集的大小超出L3，曲线就崩塌了，双线程和四线程降到了基本相同的数值(参见表3.3中第4列)。也是部分由于这个原因，我们很少看到4CPU以上的主板共享同一个内存控制器。如果需要配置更多处理器，我们只能选择其它的实现方式(参见第5节

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