问题

CPU是怎么解决Cache的冲突的?

回答
CPU缓存(Cache)中的冲突是一个常见的问题,简单来说,就是不同的内存地址试图映射到缓存中的同一个位置,导致需要将之前存储在那里的数据淘汰出去,即使这个数据很有可能还会被再次用到。这种情况会严重影响缓存的命中率,从而降低程序的执行效率。那么,CPU又是如何“想方设法”来解决这个问题的呢?这背后涉及一系列巧妙的设计和策略。

理解冲突的根源:地址映射

要理解冲突,我们得先知道缓存是如何工作的。简单来说,缓存是CPU内部的一块高速存储器,它存储了主内存(RAM)中一部分数据的副本。当CPU需要读取数据时,它会先在缓存中查找。如果找到了(称为缓存命中),就能以极快的速度获取数据。如果没找到(称为缓存不命中),CPU就需要去主内存中读取,并将这份数据也存入缓存,以便下次使用。

缓存之所以快,是因为它的容量远小于主内存。为了在有限的缓存空间里高效地存放主内存中的数据,CPU需要一套“地址映射”机制,决定主内存的哪个地址的数据可以放在缓存的哪个位置。这里的“位置”,我们通常称为“缓存行”(Cache Line)。

冲突的几种常见场景

常见的缓存冲突主要发生在以下几种情况:

1. 直接映射(Direct Mapped Cache)的冲突: 这是最简单也最容易产生冲突的模式。在这种模式下,主内存中的每个块(Block)只能映射到缓存中的一个固定的位置(一个缓存行)。假设主内存有N个块,缓存有M个缓存行,那么主内存的块 i 就会被映射到缓存行的块 i mod M。如果两个经常被访问但地址相差是缓存容量整数倍的数据,它们就会不断地互相挤占同一个缓存行,造成严重的冲突。

举个例子: 假设你的缓存有8个缓存行,主内存有一个数组 A,其元素是连续存储的。如果你在程序中频繁访问 `A[0]` 和 `A[8]`,并且这两个元素的地址恰好映射到缓存的同一个位置,那么每次访问 `A[8]` 时,之前从 `A[0]` 复制过来的数据就会被踢出缓存,反之亦然。

2. 组相联映射(SetAssociative Cache)的冲突: 为了缓解直接映射的冲突,引入了组相联的概念。缓存被分成若干个“组”(Sets),每个组包含多个“缓存行”(Ways)。主内存的每个块现在可以映射到缓存中的一个特定组内的任何一个缓存行。比如,一个4路组相联缓存意味着,主内存的某个块可以放在这组的4个缓存行中的任何一个。

为什么还是有冲突? 虽然组相联比直接映射好得多,但仍然存在冲突。如果一个组内的所有缓存行都被其他需要访问的数据占满了,那么新的数据仍然会引起冲突,需要淘汰一个已有的数据。如果程序总是需要访问一个组内的所有缓存行,并且访问的频率超过了缓存的置换速度,冲突依然会出现。

CPU如何“化解”这些冲突?

CPU主要通过以下几种策略来解决或减轻缓存冲突:

1. 改进的地址映射策略:

组相联(SetAssociative)缓存: 这是最核心的策略。如上所述,它允许多个主内存块映射到缓存中的一个组,而不是一个固定的行。这样,即使两个块的地址映射到同一个组,它们也可以选择组内不同的缓存行存放,大大降低了冲突的概率。常见的有2路组相联、4路组相联、8路组相联等。组数越多,冲突的可能性越小,但硬件实现的复杂度和成本也越高,功耗也越大。

详细解释: 假设主内存地址可以表示为 `Tag | Set Index | Block Offset`。在直接映射中,`Set Index` 直接决定了缓存的哪一行。在N路组相联中,`Set Index` 决定了缓存中的哪个组,而`Tag`则用来区分组内不同的缓存行。当CPU需要访问一个地址时,它首先根据`Set Index`找到对应的组,然后检查组内的所有缓存行,看是否有与 `Tag` 匹配的数据。如果匹配,则命中;如果不匹配,则需要从主内存加载,并根据置换策略选择组内的一个缓存行进行替换。

2. 缓存替换策略(Cache Replacement Policy):

当发生缓存不命中,且目标组内的所有缓存行都已被占用时,就需要选择一个现有的缓存行被淘汰(替换)出去,以便新的数据能够被载入。CPU会根据预设的策略来决定淘汰哪个。有效的替换策略能够最大程度地保留“可能还会被再次使用”的数据,从而间接缓解冲突带来的负面影响。

最近最少使用(LRU Least Recently Used): 这是最常见且效果较好的策略。它会淘汰在最近一段时间内最少被访问过的缓存行。理论上,LRU能够最大限度地保留活跃数据。
实现难点: 严格的LRU实现起来相当复杂,需要在硬件中为每一路缓存维护访问顺序。在实际的CPU设计中,通常会采用一些近似LRU的策略来降低硬件复杂性,例如:
PseudoLRU (PLRU): 使用一些简单的位来记录访问顺序,虽然不如真正的LRU精确,但性能接近,且硬件开销小。例如,一个简单的PLRU可以用一个二叉树结构来表示,每层节点记录子节点中哪个最近被访问过。
其他近似策略: 还有诸如 FIFO (FirstIn, FirstOut)、随机替换等,但在解决冲突方面,LRU及其变种通常是首选。

高优先级数据不被替换: 一些高级的CPU设计会考虑为“重要”的数据或指令预留“不会被替换”的缓存行,或者降低它们被替换的优先级。但这会增加设计复杂度。

3. 缓存分级与独立缓存:

现代CPU通常拥有多级缓存(L1、L2、L3)。每一级缓存都有自己的命中率和冲突特性。

L1 缓存: 通常是最小的,速度最快,并且常常分为指令缓存(Icache)和数据缓存(Dcache)。分离指令和数据缓存本身就是一种减少冲突的策略,因为它们访问模式不同,可以避免数据和指令相互干扰。L1缓存通常采用高路数的组相联(例如8路或16路),以获得极高的命中率。
L2 缓存: 比L1大,速度稍慢。它可能仍然有冲突,但由于容量增大,冲突的“密度”会降低。L2缓存也通常是组相联的。
L3 缓存: 是最大也是最慢的缓存,通常由CPU的所有核心共享。尽管L3的冲突可能比L1、L2更明显,但它作为一个更宽的“缓冲器”,能够大幅减少对主内存的访问。

4. 非阻塞缓存(Nonblocking Cache)/ 破损传输(Victim Cache):

非阻塞缓存: 当发生一次缓存不命中时,CPU不会停止所有后续的缓存访问请求,而是继续处理其他没有发生不命中的请求,或者将不命中的请求放入一个“失效队列”(Miss Status Holding Register, MSHR)中,等待数据从主内存加载回来。这虽然没有直接解决冲突,但它提高了缓存的“吞吐量”,让CPU在等待过程中能做更多事情。

受害者缓存(Victim Cache): 这是一个非常巧妙的辅助机制。它是一个很小的、全相联(全相联意味着任何主内存块都可以放在受害者缓存的任何一行)的缓存,专门用来存放那些被主缓存(如直接映射缓存)淘汰出去的数据。当主缓存发生冲突时,被淘汰的数据会先进入受害者缓存。如果随后CPU又需要访问这个数据,就可以直接从受害者缓存中快速获取,避免了再次访问主内存。受害者缓存是一种低成本的增加缓存“宽度”的策略,能有效减少因冲突导致的主内存访问。

5. 乱序执行与指令预取(OutofOrder Execution and Prefetching):

CPU通过乱序执行(OoOE)可以在指令流水线中处理非顺序到达的数据,即使某个数据访问发生不命中,CPU也可以先执行其他已经准备好数据的指令,从而掩盖一部分缓存不命中的延迟。

指令预取(Prefetching)是CPU预测程序即将访问哪些数据,并提前将它们加载到缓存中。如果预取的数据恰好能够填充因冲突而被淘汰的数据的“空缺”,那么效果会非常显著。智能的预取机制能够预测循环、数组访问等模式,提前将数据准备好,从而避免在需要时才发生不命中和冲突。

总结一下,CPU解决缓存冲突的主要手段可以归纳为:

通过更灵活的地址映射(组相联)来分散可能的冲突点。
采用先进的缓存替换策略(如LRU)来尽量保留最有价值的数据。
使用多级缓存,每一级都承担不同的角色,并采用不同的策略来优化。
引入辅助缓存(如受害者缓存)来“捕获”被淘汰的数据。
通过流水线优化和智能预取来掩盖或避免冲突带来的延迟。

可以说,缓存的设计和冲突解决是CPU性能优化的核心领域之一。这是一个在“速度”、“容量”和“成本/功耗”之间不断权衡取舍的过程。现代CPU的缓存系统是一门非常复杂的学问,各种策略的组合运用,才造就了今天我们看到的强大计算能力。

网友意见

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理论上说,CPU核间cache同步用的是MESI协议,这个协议网上有很多介绍,不重复说了。

到实际应用中,如果不加任何保护的去访问共享数据,CPU自身不会保证数据的一致性。

从硬件的角度上看,CPU核间cache同步需要20-50个cycle才能完成一个cache line的同步,并且这种同步不一定及时。

如果用户希望保证数据一致性(如操作系统的锁、原子操作),在硬件层面上,是通过锁总线的方式实现的(或者锁cache line),在x86体系里,就是LOCK前缀指令,以及所有隐含LOCK的指令(如XCHG等)。

下图是sandybridge架构下的指令开销:

对于XCHG指令,如果两个操作数都是寄存器,则性能很好。如果其中一个操作数是内存,那么XCHG会锁总线,此时的开销就非常巨大。同样的XADD和LOCK XADD的性能差异也很大,前者不锁总线,不保证数据一致性,后者锁总线,保证数据一致性。

当某个核把总线上锁时,其它核心,如果恰好需要访问对应的cache line那么会被挡在外面,直到锁被释放为止,所以上锁不仅会影响当前核心,也可能影响其它核心,所以对性能要求敏感,那么在代码中应该避免频繁使用锁。

LOCK前缀具体是锁住总线还是只是锁一个cache line,我个人理解是后者,因为如果锁住整个总线,性能会非常低,远远不止20多个cycle这么少。从公开的资料上看,486之前,LOCK是锁总线的,486以后,大概就是锁cache line+MESI协议了。

另外,Intel CPU内部核间有一个高速环形总线,能以CPU的主频速率工作(总之就是非常高,但具体实现细节不清楚),应该就是通过这个环形总线发送换乘锁的请求的。


补充一个一下:操作系统提供的原子操作(比如CAS),大部分(因为我没看全)都用到的LOCK前缀。

以Linux为例,这里是可以看到有lock的:git.kernel.org/pub/scm/

         volatile u32 *__ptr = (volatile u32 *)(ptr);     asm volatile(lock "cmpxchgl %2,%1"            : "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)           : "r" (__new), "0" (__old)            : "memory");       break;            

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