物理地址不连续时cpu如何缓存

Question

例如我的进程中使用连续虚拟地址的数组。但是CPU在物理地址上使用CPU缓存，该地址在我的数组中可能不连续。在这种情况下，CPU 缓存是否会失败，或者 CPU 或操作系统是否有帮助？

他们会做某事还是放手？

Answer 1

缓存不会“失败”，它们已经被设计为缓存可能分散的行，而不仅仅是大的连续数组。 （即使您有同一物理页面的多个虚拟映射，也可以避免同音异义/同义词问题。）

同一数组的某些行可能在二级缓存中具有相同的索引（映射到同一组），即使它们在虚拟地址中仅相距 4K，但在物理地址中相距某些较大的 2 的幂的倍数。但是集合关联（不是直接映射）缓存可以处理这个问题，除非你非常不幸，然后你可能会得到一些你没有预料到的额外驱逐（和冲突未命中）。

大页/大页 (

madvise(MADV_HUGE)

) 将提示 Linux 内核对内存区域使用透明大页，因此连续的虚拟是 2MiB 块中的连续物理块（例如在 x86-64 上），而不是 4K。

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许多 x86 CPU 至少具有 L1d，它具有足够的关联性且足够小，以至于 VIPT = PIPT，所有索引位都来自地址的页内偏移部分，因此对同一组进行别名或不仅仅取决于地址的页内偏移量部分。 （标签是物理的，因此当您有同一物理页的两个虚拟映射时，您可以获得缓存命中。） 其他一些 ISA 依赖于操作系统的帮助，例如页面着色，使虚拟页号的低 1 或 2 位与物理（页框）号匹配）以避免 L1i/L1d 中的缓存同义/同音问题。这使得地址的有效页内偏移部分加宽了几个位，以便对集合进行索引，这对于缓存冲突未命中也很重要。 （请参阅

虚拟索引物理标记缓存同义词，了解如何通过缓存索引和标记位进行调整的示例。） （

在Linux内核中

，PAGE_SHIFT是移位计数，这样

addr >> page_shift

将移出所有页内偏移位，留下非大页的页号。还使用“页分割”描述页号和地址的页内偏移位之间的中断位置。它是地址中页内偏移位的数量。）

但是外部缓存（例如 L2 和 L3）使用更多索引位。它们纯粹在物理地址 (PIPT) 上工作，virt 到 phys 与 L1d 访问并行发生，因此在 L1 未命中的情况下，它已经在 L2 访问之前完成。因此，使它们成为 VIPT 并没有速度优势，因此 PIPT 对于 L1 以外的缓存级别几乎是通用的。

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这确实使得索引（从而为同一组别名）依赖于连续的物理或不依赖。对于单个连续地址，

size = cache_size/associativity

中的每一行都映射到不同的集合，因此不会发生冲突。例如对于 Skylake 的 256 KiB 4 路 L2 缓存，即 64K 或 1024 组。

大型共享末级缓存（典型 x86 中的 L3）通常使用物理地址所有高位的哈希函数进行索引，因此它们对是否连续的物理地址不太敏感，并且即使有很多冲突也能抵抗冲突丢失例如，“热”高速缓存行位于分散在各个不同页面的前 64 个字节中。 （与 L1d 和 L2 缓存不同，这些缓存行只能由总集合中的一个 (L1d) 或几个 (L2) 进行缓存，而其他缓存则不使用。）对于分布式 L3 缓存（例如 Intel，每个核心旁边都有一个切片） ，一个好的哈希函数有望避免环形总线上的一站或网格太热。