缓存与内存;缺页中断;缓存映射:组相联

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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:

复制代码
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:

复制代码
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。

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