文章目录

引语
Cache Miss（缓存未命中）
- Compulsory Miss（Cold Miss）强制性未命中
- Conflict Miss 冲突性未命中
- Capacity Miss 容量性未命中
- 其他的 Miss 种类
- - Coherence Miss
  - Communication Miss
行替换策略（算法）
- 最不常使用（Least-Frequently-Used, LFU）
- 最近最少使用（LeastRecently-Used, LRU)
- 随机替换

引语

本文是 CPU Cache 相关知识的中篇，上篇中介绍 CPU Cache 的基础概念和三种映射方式，本文会介绍高速缓存不命中（即 Cache Miss ）和 Cache Line 的替换策略，将会涉及到到上文相关知识。

上文：CPU Cache 知识详解之基础概念与映射方式（上）

Cache Miss（缓存未命中）

当查找的数据不在高速缓存中或在但是不可用（有效位为0）

主要有三种 Compulsory Miss（Cold Miss）强制性未命中， Conflict Miss 冲突性未命中，Capacity Miss 容量性未命中

Compulsory Miss（Cold Miss）强制性未命中

即在程序刚刚启动的时候，数据都是不在缓存中的，所以第一次访问数据必定发生 Miss ，这是不可避免的，由于该 Miss 发生在程序第一次读取数据中，所以也叫 Cold Miss，冷缺失

Conflict Miss 冲突性未命中

该 Miss 是由于**不同的内存块映射到同一个 Cache Set **导致的

这里的映射方式我拿直接映射举例，如图所示主存中地址 0 和 4 都映射到了同一个 Cache Set 1 中，注意是同一个 Cache Set ，只是由于直接映射导致看起来像映射到 Cache Line 导致的，这种 Miss 发生在直接映射和组相联中，因为只有这两类映射方式才具有多个 Cache Set ，而全相联只有一个 Cache Set （当然要说全相联全都映射到该 Cache Set 所以也有 Conflict Miss，这也没问题，重点理解概念即可）

该 Miss 是可以避免并且也应该避免的，因为仍然有空闲的空间可以存放数据

Capacity Miss 容量性未命中

该 Miss 是由于程序运行所需的 Set 的数量要大于缓存的 Set 的数量，导致不能把所有数据都装入缓存中，同样我们以直接映射来举例

假设程序需要读入地址 0 到 5 的数据，缓存中只有 4 个 Cache Set ，所以必然会导致 Miss ，所以这种 Miss 也是不好避免的

其他的 Miss 种类

在查阅资料的过程中，笔者发现除以上几种 Miss 外还存在一些 Miss，由于涉及的资料较少，加之笔者的能力有限，这里不过多讲述（读者若有了解的评论中说明）

Coherence Miss

It is also known as Invalidation. These misses occur when other external processors, i.e., I/O updates memory.

由于只查询到这句解释，个人理解是由于其他的 IO 读主存中数据进行修改，导致缓存中数据不可用引发的 Miss

Communication Miss

笔者在某个视频中得知该名词，没有找到任何资料

行替换策略（算法）

出现 Miss 后，就需要在下一级的内存中读取数据，那么就有可能涉及 Cache Line 的替换，就涉及到了 CPU Cache 中的替换策略；由于替换策略不是我们可以随意更改的，并且这里介绍的算法都是一些十分通用的算法，在操作系统，Redis 等中都有应用，网上资料相对丰富，所以这部分不会详细介绍算法流程，读者了解到高速缓存存在哪些替换策略即可

首先由于直接映射中每个地址映射到缓存中的位置都是唯一的，所以从下一级的内存中读取内存块到缓存中的策略就是直接替换

而组相联和全相联中一个内存块被映射到哪个 Cache Line 是不确定的，所以才存在替换策略将缓存中的一些 Cache Line 替换出去

最不常使用（Least-Frequently-Used, LFU）

该策略会替换在过去某个时间窗口内引用次数最少的那一行。容易把新加入的块替换掉，且容易让前期频繁访问，后期较少访问的块长期驻留。

最近最少使用（LeastRecently-Used, LRU)

策略会替换最后一次访问时间最久远的那一行。有较高命中率。

随机替换

随机选择一个 Cache Line 替换出去。随机替换算法在硬件上容易实现，且速度也比前两种算法快。缺点则是降低了命中率和Cache工作效率。

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