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】
    
  
  

1. CPU Register（寄存器）   ← 几十个字节，最快
2. ↓
3. L1 Cache（一级缓存）     ← KB 级，纳秒级访问
4. ↓
5. L2/L3 Cache
6. ↓
7. RAM（内存）              ← GB 级，百纳秒级访问
8. ↓
9. SSD / HDD（磁盘）        ← 秒级或毫秒级访问

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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：

1. L1 → L2 → L3 → RAM → 磁盘

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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：

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

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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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