十分钟教你掌握CPU缓存

一、基础知识
二、缓存命中
三、缓存一致
四、程序性能
- 示例一
- 示例二
- 示例三

一、基础知识

首先，大家都知道现在CPU的多核技术，都会有几级缓存，现在的CPU会有三级内存（L1，L2， L3），如下图所示。

其中：

L1缓存分成两种，一种是指令缓存，一种是数据缓存。L2缓存和L3缓存不分指令和数据。

L1和L2缓存在每一个CPU核中，L3则是所有CPU核心共享的内存。
L1、L2、L3的越离CPU近就越小，速度也就越快，越离CPU远，速度也越慢。

再往后面就是内存，内存的后面就是硬盘。我们来看一些他们的速度。

L1的存取速度：4个CPU时钟周期
L2的存取速度：11个CPU时钟周期
L3的存取速度：39个CPU时钟周期
RAM内存的存取速度：107个CPU时钟周期

我们可以看到，L1的速度是RAM的27倍，L1和L2的存取大小基本上是KB级的，L3则是MB级别的。例如，Intel Core i7-8700K,是一个6核的CPU，每核上的L1是64KB（数据和指令各32KB）,L2是256K，L3有2MB。
我们的数据从内存向上，先到L3，再到L2，再到L1，最后到寄存器进行计算。那么，为什么会设计成三层？这里有以下几方面的考虑：

物理速度，如果要更大的容量就需要更多的晶体管，除了芯片的体积会变大，更重要的是大量的晶体管会导致速度下降，因为访问速度和要访问的晶体管所在的位置成反比。也就是当信号路径变长时，通信速度会变慢，这就是物理问题。
另外一个问题是，多核技术中，数据的状态需要在多个CPU进行同步。我们可以看到，cache和RAM的速度差距太大。所以，多级不同尺寸的缓存有利于提高整体的性能。
这个世界永远是平衡的，一面变得有多光鲜，另一方面也会变得有多黑暗，建立多级的缓存，一定就会引入其它的问题。这里有两个比较重要的问题。
一个是比较简单的缓存命中率的问题
另一个是比较复杂的缓存更新的一致性问题

尤其是第二个问题，在多核技术下，这就很像分布式系统了，要面对多个地方进行更新。

二、缓存命中

首先，我们需要了解一个术语Cache Line。缓存基本上来说就是把后面的数据加载到离自己最近的地方，对于CPU来说，它是不会一个字节一个字节的加载的。因为这非常没有效率，一般来说都是要一块一块的加载的，对于这样一块一块的数据单位，术语叫“Cache Line”。一般来说，一个主流的CPU的Cache Line是64 Bytes(也有的CPU用32Bytes和128Bytes),64Bytes也就是16个32位的数字,这就是CPU从内存中捞数据上来的最小数据单位。比如：Cache Line是最小单位（64Bytes），所以先把Cache分布多个Cache Line。比如：L1有32KB，那么 32KB/64Bytes = 512个Cache Line。
缓存需要把内存里的数据放进来，英文叫CPU Associativity，Cache的数据放置策略决定了内存中的数据会拷贝到CPU Cache中的哪个位置上，因为Cache的大小远远小于内存，所以，需要有一种地址关联算法，能够让内存中的数据被映射到Cache中。这个就有点像内存地址从逻辑地址到物理地址的映射方法。但是不完全一样。

基本上会有以下的一些方法

任何一个内存的数据可以被缓存在任何一个Cache Line里，这种方法是最灵活的，但是，如果我们要知道一个内存是否存在于Cache中。我们就需要进行O(n)复杂度的Cache遍历，这是没有效率的。
另一种方法，为了降低缓存搜索算法的时间复杂度，我们要使用像hash table这样的数据结构，最简单的hash table就是“求模运算”。比如，我们的L1 Cache有512个Cache Line,那么公式就是(内存地址 mod 512) *64就可以直接找到所在的Cache地址的偏移了。但是，这样的方式需要程序对内存地址的访问非常的平均，不然会造成严重地冲突。所以，这成了一个非常理想的情况了。
为了避免上述的两种方案的问题，于是就要容忍一定的hash冲突，也就出现了N-Way关联。也就是把连续的N个Cache Line绑成一组，然后，先找到相关的组，然后再在组内找到相关的Cache Line。这叫Set Associativity。如下图所示

对于 N-Way 组关联，可能有点不好理解。这里举个例子，并多说一些细节（不然后面的代码你会不能理解），Intel 大多数处理器的L1 Cache都是32KB，8-Way 组相联，Cache Line 是64 Bytes。这意味着
32KB的可以分成，32KB / 64 = 512 条 Cache Line；
因为有8 Way，于是会每一Way 有 512 / 8 = 64 条 Cache Line；
于是每一路就有 64 x 64 = 4096 Byts 的内存。

为了方便索引内存地址

Tag：每条 Cache Line 前都会有一个独立分配的 24 bits来存的 tag，其就是内存地址的前24bits；
Index：内存地址后续的6个bits则是在这一Way的是Cache Line 索引，2^6 = 64 刚好可以索引64条Cache Line；
Offset：再往后的6bits用于表示在Cache Line 里的偏移量

索引过程如下图所示：

当拿到一个内存地址的时候，先拿出中间的 6bits 来，找到是哪组；
然后在这一个8组的cache line中，再进行O(n) ，n=8 的遍历，主是要匹配前24bits的tag。如果匹配中了，就算命中，如果没有匹配到，那就是cache miss，如果是读操作，就需要进向后面的缓存进行访问了。L2和L3同样是这样的算法。而淘汰算法有两种，一种是随机，另一种是LRU。

这也意味着：

L1 Cache 可映射 36bits 的内存地址，一共 2^36 = 64GB的内存
当CPU要访问一个内存的时候，通过这个内存中间的6bits 定位是哪个set，通过前 24bits 定位相应的Cache Line。
就像一个hash Table的数据结构一样，先是O(1)的索引，然后进入冲突搜索。因为中间的 6bits决定了一个同一个set，所以，对于一段连续的内存来说，每隔4096的内存会被放在同一个组内，导致缓存冲突。

此外，当有数据没有命中缓存的时候，CPU就会以最小为Cache Line的单元向内存更新数据。当然，CPU并不一定只是更新64Bytes，因为访问主存实在是太慢了，所以，一般都会多更新一些。好的CPU会有一些预测的技术，如果找到一种pattern的话，就会预先加载更多的内存，包括指令也可以预加载。这叫 Prefetching 技术。比如，你在for-loop访问一个连续的数组，你的步长是一个固定的数，内存就可以做到prefetching。

了解这些细节，会有利于我们知道在什么情况下有可以导致缓存的失效。

三、缓存一致

对于主流的CPU来说，缓存的写操作基本上是两种策略

Write Back：写操作只在Cache上，然后再flush到内存上
Write Through：写操作同时写到cache和内存上。

为了提高写的性能，一般来说，主流的CPU（如：Intel Core i7/i9）采用的是Write Back的策略，因为直接写内存实在是太慢了。

好了，现在问题来了，如果有一个数据 x 在 CPU 第0核的缓存上被更新了，那么其它CPU核上对于这个数据 x 的值也要被更新，这就是缓存一致性的问题。

一般来说，在CPU硬件上，会有两种方法来解决这个问题。

Directory 协议。这种方法的典型实现是要设计一个集中式控制器，它是主存储器控制器的一部分。其中有一个目录存储在主存储器中，其中包含有关各种本地缓存内容的全局状态信息。当单个CPU Cache 发出读写请求时，这个集中式控制器会检查并发出必要的命令，以在主存和CPU Cache之间或在CPU Cache自身之间进行数据同步和传输。
Snoopy 协议。这种协议更像是一种数据通知的总线型的技术。CPU Cache通过这个协议可以识别其它Cache上的数据状态。如果有数据共享的话，可以通过广播机制将共享数据的状态通知给其它CPU Cache。这个协议要求每个CPU Cache 都可以“窥探”数据事件的通知并做出相应的反应。如下图所示，有一个Snoopy Bus的总线。

因为Directory协议是一个中心式的，会有性能瓶颈，而且会增加整体设计的复杂度。而Snoopy协议更像是微服务+消息通讯，所以，现在基本都是使用Snoopy的总线的设计。

在分布式系统中我们一般用Paxos/Raft这样的分布式一致性的算法。而在CPU的微观世界里，则不必使用这样的算法。因为CPU的多个核的硬件不必考虑网络会断会延迟的问题。所以，CPU的多核心缓存间的同步的核心就是要管理好数据的状态就好了。
这里介绍几个状态协议，先从最简单的开始，MESI协议，这个协议跟那个著名的足球运动员梅西没什么关系，其主要表示缓存数据有四个状态：Modified（已修改）, Exclusive（独占的）,Shared（共享的），Invalid（无效的）。
MESI 这种协议在数据更新后，会标记其它共享的CPU缓存的数据拷贝为Invalid状态，然后当其它CPU再次read的时候，就会出现 cache miss 的问题，此时再从内存中更新数据。从内存中更新数据意味着20倍速度的降低。我们能不能直接从我隔壁的CPU缓存中更新？是的，这就可以增加很多速度了，但是状态控制也就变麻烦了。还需要多来一个状态：Owner(宿主)，用于标记，我是更新数据的源。于是，出现了 MOESI 协议。
MOESI协议允许 CPU Cache 间同步数据，于是也降低了对内存的操作，性能是非常大的提升，但是控制逻辑也非常复杂。
顺便说一下，与 MOESI 协议类似的一个协议是 MESIF，其中的 F 是 Forward，同样是把更新过的数据转发给别的 CPU Cache 但是，MOESI 中的 Owner 状态和MESIF 中的 Forward 状态有一个非常大的不一样—— Owner状态下的数据是dirty的，还没有写回内存，Forward状态下的数据是clean的，可以丢弃而不用另行通知。
需要说明的是，AMD用MOESI，Intel用MESIF。所以，F 状态主要是针对 CPU L3 Cache 设计的（前面我们说过，L3是所有CPU核心共享的）。

四、程序性能

了解了我们上面的这些东西后，我们来看一下对于程序的影响。

示例一

首先，假设我们有一个64M长的数组，设想一下下面的两个循环：

       const int LEN = 64*1024*1024;int *arr = new int[LEN];for (int i = 0; i < LEN; i += 2) arr[i] *= i;for (int i = 0; i < LEN; i += 8) arr[i] *= i;

按我们的想法，第二个循环要比第一个循环少4倍的计算量。其应该要快4倍的。但实际跑下来并不是，在我的机器上，第一个循环需要128毫秒，第二个循环则需要122毫秒，相差无几。这里最主要的原因就是 Cache Line，因为CPU会以一个Cache Line 64Bytes最小时单位加载，也就是16个32bits的整型，所以，无论你步长是2还是8，都差不多。而后面的乘法其实是不耗CPU时间的。

示例二

接下来，我们再来看个示例。下面是一个二维数组的两种遍历方式，一个逐行遍历，一个是逐列遍历，这两种方式在理论上来说，寻址和计算量都是一样的，执行时间应该也是一样的。

const int row = 1024;
const int col = 512
int matrix[row][col];
//逐行遍历
int sum_row=0;
for(int _r=0; _r<row; _r++) {for(int _c=0; _c<col; _c++){sum_row += matrix[_r][_c];}
}
//逐列遍历
int sum_col=0;
for(int _c=0; _c<col; _c++) {for(int _r=0; _r<row; _r++){sum_col += matrix[_r][_c];}
}

然而，并不是，在我的机器上，得到下面的结果。

逐行遍历：0.083ms
逐列遍历：1.072ms

执行时间有十几倍的差距。其中的原因，就是逐列遍历对于CPU Cache 的运作方式并不友好，所以，付出巨大的代价。

示例三

接下来，我们来看一下多核下的性能问题，参看如下的代码。两个线程在操作一个数组的两个不同的元素（无需加锁），线程循环1000万次，做加法操作。在下面的代码中，我高亮了一行，就是p2指针，要么是p[1]，或是 p[30]，理论上来说，无论访问哪两个数组元素，都应该是一样的执行时间。

 void fn (int* data) {for(int i = 0; i < 10*1024*1024; ++i)*data += rand();
}
int p[32];
int *p1 = &p[0];
int *p2 = &p[1]; // int *p2 = &p[30];
thread t1(fn, p1);
thread t2(fn, p2);

然而，并不是，在我的机器上执行下来的结果是：

对于 p[0] 和 p[1] ：570ms
对于 p[0] 和 p[30]：105ms

这是因为 p[0] 和 p[1] 在同一条 Cache Line 上，而 p[0] 和 p[30] 则不可能在同一条Cache Line 上，CPU的缓存最小的更新单位是Cache Line，所以，这导致虽然两个线程在写不同的数据，但是因为这两个数据在同一条Cache Line上，就会导致缓存需要不断进在两个CPU的L1/L2中进行同步，从而导致了5倍的时间差异。

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