缓存与内存；缺页中断；缓存映射：组相联

文章目录

• 内存（RAM）与缓存（Cache）
• [Memory Management Unit](#Memory Management Unit)
• • • 缺页中断
• 多级缓存
• • • 缓存替换策略
    • 缓存的映射方式

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】

  • 机械硬盘 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

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），交由操作系统处理。

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：操作系统为了节省内存，把部分不活跃页换出到磁盘，访问时需重新加载。
• 访问权限错误：如 对只读页进行写操作
• 非法访问：不属于该进程的

处理流程：

1. CPU 检测到缺页，触发中断。
2. 中断处理器进入内核态，调用页错误处理函数。
3. 操作系统 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。
4. 更新页表
5. 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

一旦某级缓存命中，就不再往后找（称为 Cache Hit），否则就是 Miss，继续向后查询。

缓存替换策略

Cache Replacement Policy

1. LRU（Least Recently Used）最少使用
2. FIFO（First-In First-Out）先进先出
3. LFU（Least Frequently Used）最不常用
4. Random 随机替换
5. 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）【一路组相联】
  每个内存块 只能映射到缓存中的一个固定位置。冲突失效高
• 全相联（Fully Associative Cache）
  每个内存块 可以放到缓存中的任意位置。但查找需要遍历所有缓存块
• 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]

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，则使用替换策略。