與cache相關的一些問題和思考

submitted by droplet on fri, 2010-12-10 14:58

cache在效能優化裡面占有很重要的地位，在效能優化的不同層次上，都會用到與cache相關的知識，下面是一些問題和思考。

1）很顯然，cache的容量是有限的，所以就會有cache miss，cache miss一般有三種原因：

a: 當cache為空的時候，需要把內容調入cache。

b: 當超出cache容量的時候，需要淘汰一些舊的內容，騰出空間給新的內容。

c: cache conflict，在有衝突的時候，需要用舊的覆蓋新的。

第一種情況對任何cache都是適用的；第二種情況，比如cpu的l2 cache，如果是全關聯的cache，那麼超出容量是，任何乙個舊的都可能被踢出去；第三種情況一般是在n-way 關聯的時候，對映到相同cache line的內容之間有衝突。

一般來說cpu有如下的cache型別：

l1 i-cache, l1 d-cache, tlb, l2 cache, l3 cache。l1 cache和tlb cache容量較小，可以做成全關聯的，l2, l3 cache一般是n-way關聯的。cache在正常情況下，應該是可以提高效能的，但是在cache thrashing (pingpong)的時候，對效能卻是有害的。在這種情況下，所有的訪問都不能從cache裡得到資料，而是需要到main memory裡去拿資料，所以程式設計的時候要比較cache thrashing。

2）如果避免cache thrashing，如何提高效能？

一般來說，跨邊界的資料結構都是有害的。比如乙個小於32 bytes的資料結構跨兩個cache line，比如程式**太大，正好在這個路徑上，發生了cache conflict。一般來說l1 cache有64k，而l2 cache有1m或者更大。**路徑的長度不太可能有這麼大的跨度。但是，最好是把相關的**放在一起，最好減小**的體積，最好把資料結構cache line對齊等等一下基本規則還是從一開始就遵守的好。

解決這個問題使用的技巧就是coloring。page coloring比較好理解，相同color的page會對映到相同的cache上去，所以在分配的時候，盡量比較給同乙個process分配相同color的page。但是對於slab allocator的color就有點不太明白了。如果color的偏移是cache line大小還好理解，如果是其他的大小，感覺就沒什麼用。而且在slab allocator的**裡面提到memory channel，這個和cache沒什麼關係。memory channel是特定的實體地址在特定的記憶體片裡面，如果是dual channel，最好資料位址能夠分配到兩個channel上，這樣就可以並行讀入，而不是順序讀入。這個是用來提高記憶體頻寬的（當然可以可以說是避免衝突，因為如果是順序訪問，就說明兩次讀入是有衝突的）

3）l1 cache或者tlb裡面，是虛位址，還是實體地址。這個和cache本身沒有關係，這涉及到乙個轉換的問題。所以我認為在cache裡面應該是實體地址，也就是說cpu在訪問記憶體時，mmu是首先執行的，首先解決了tlb miss的問題，才能解決cache miss的問題，順序不能亂。

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