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标题: 缓存与内存；缺页中断；缓存映射：组相联 [打印本页]

作者: 不到断气不罢休 时间: 5 天前
标题: 缓存与内存；缺页中断；缓存映射：组相联
内存（RAM）与缓存（Cache）

缓存： CPU 内部或非常靠近的高速存储，超快
内存（Random Access Memory）：是磁盘的缓存【纳秒】
磁盘：
- 固态硬盘 SSD：Solid State Drive 【微秒】
- 机器硬盘 HDD：Hard Disk Drive 【毫秒】

CPU Register（寄存器） ← 几十个字节，最快
↓
L1 Cache（一级缓存） ← KB 级，纳秒级访问
↓
L2/L3 Cache
↓
RAM（内存） ← GB 级，百纳秒级访问
↓
SSD / HDD（磁盘） ← 秒级或毫秒级访问

复制代码

Memory Management Unit

MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）
缺页中断

Page Fault
当CPU 通过虚拟地址访问内存时，会通过 MMU 将虚拟地址转换为物理地址。
如果某个虚拟页当前没有映射到物理内存中，MMU 就会触发一个缺页中断（Page Fault），交由操纵体系处理。
原因：

未分配：程序第一次访问一个尚未分配物理内存的虚拟页。
该页被置换到磁盘了：操纵体系为了节省内存，把部分不活泼页换出到磁盘，访问时需重新加载。
访问权限错误：如对只读页进行写操纵
非法访问：不属于该进程的

处理流程：

CPU 检测到缺页，触发中断。
中断处理器进入内核态，调用页错误处理函数。
操纵体系根据页表和进程内存映射信息判断缺页原因。
如果是合法访问（页在磁盘 swap 中），则从磁盘读入物理页。
如果是不合法访问（野指针、非法地址等），则发送 SIGSEGV 信号给进程，通常导致程序崩溃。
更新页表
恢复用户态

软缺页（Minor Page Fault）
虚拟页尚未映射，但实际数据已在内存中（如共享页）
硬缺页（Major Page Fault）
页不在内存中，必须从磁盘读取。

多级缓存

Multi-level Cache
缓存（Cache）是介于 CPU 和主存（RAM）之间的高速存储器
CPU 在访问数据时，依次查询：

L1 → L2 → L3 → RAM → 磁盘

复制代码

一旦某级缓存命中，就不再今后找（称为 Cache Hit），否则就是 Miss，继承向后查询。
缓存更换策略

Cache Replacement Policy

LRU（Least Recently Used）最少使用
FIFO（First-In First-Out）先进先出
LFU（Least Frequently Used）最不常用
Random 随机更换
CLOCK 算法（近似 LRU）

缓存的映射方式

缓存到哪个位置呢？

直接映射（Direct-Mapped Cache）【一起组相联】
每个内存块只能映射到缓存中的一个固定位置。辩论失效高
全相联（Fully Associative Cache）
每个内存块可以放到缓存中的任意位置。但查找需要遍历全部缓存块
组相联缓存（Set-Associative Cache）
把缓存划分为多个集合（Set），每个集合中有多个块（line）。
一个内存块可以映射到某个集合中任意一个块。

二路组相联
假设缓存有 8 个块，划分为 4 个集合，每个集合有 2 个块：

Cache：
Set 0: [块0, 块1]
Set 1: [块2, 块3]
Set 2: [块4, 块5]
Set 3: [块6, 块7]

复制代码

某个地址会通过 hash 函数（如地址 % 4）映射到某个 Set。
在Set内自由放置，如果已满，则使用更换策略。

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