处理器之缓存（四）

今天我们来看看缓存。在我们平时的生活中，知道处理器和内存是不同的。它们所使用的半导体器件工艺不同，工艺的差异导致了处理器与内存的速度差异。处理器的器件比内存是要好很多的，因此它的容量就势必很小；而内存虽然速度慢，但是它很便宜，因此容量一般较大。在进行数据的处理时，处理器总是需要等待内存，处理器的速度是远远大于内存的。

在一般程序访问的时候，它会出现局部性的概念。也就是说，在短时间内，处理器访问的存储空间是一个很小的范围。局部性分为两种：时间局部性和空间局部性。局部时间性是指某个存储单元在短时间内很可能被再次访问，而空间局部性是指某个存储单元的邻近单元在短时间内也被访问。我们在处理器与内存之间就引进了一个中间介质，它叫高速缓冲存储器，俗称 cache。下来介绍下它的特性：1、cache 是一种小容量的高速存储器；2、cache 的存取速度与处理器的运算速度几乎同量级；3、cache 在现代计算机系统中内置于处理器芯片中。在处理器与内存之间设置 cache 能大大地提高效率，将内存中被频繁访问的指令和数据复制到 cache 中。在大多数情况下，处理器能直接从 cache 中取得指令和数据。

下来我们来看看处理器的数据访问 的具体流程，如下

那么内存和 cache 之间是如何进行映射的呢？是利用直接映射法的。1、将 cache 和内存分成固定大小的块（如 512 Byte/块）；2、内存中的每一块在 cache 中有固定的映射位置；3、映射公式为：Pcache = 内存块号 % cache总块数。下图是一个直接映射的例子

它的特点是任意一个内存地址都能映射到 cache 中的一个固定位置。它的地址划分如下

映射原理为根据访问地址的中间 c 位找到 cache 中的对应块，再来比较地址的高 t 位是否和 flag 相同，如果相同责直接读取数据，不相同的话则从内存中复制块内容。例如当前处理器需要访问内存地址为 0x02140CH 处。

1、地址划分：

2、根据 0010 直接访问 cache 中的第 0010 块

3、匹配 0010 块的 flag 是否等于 0000 001，如果相等则访问 0010 块中 1100 处的数据，不相等则从内存中读取块数据并更新 cache。

直接映射法的优点是映射过程简单，所需耗时短；而缺点是当短时间内访问的地址有同余冲突时会造成缓存失效。下面来看看基于 cache 原理的软件应用。项目背景是开发一款日志调试工具（Log Dog）。需要解决的问题是：1、日志对系统效率影响巨大，且不容易分析查看；2、现有的日志系统无法高效的打印二进制数据；3、自定义日志内容的解析方式；4、对日志进行分类，并控制日志是否输出。出现过的性能问题是当短时间内有大量日志需要打印时，性能无法满足调试需要。最终的解决方案是根据 cache 原理，设置二级缓存机制，尽量避开查找。