Cache的写策略

内存的数据被加载到Cache后，在某个时刻其要被写回内存，对于这个时刻的选取，有如下几个不同的策略。

通用策略

直写（write-through）

• 策略：直写指在处理器对Cache写入的同时，将数据写入到内存中

• 优点：这种策略保证了在任何时刻，内存的数据和Cache中的数据都是同步的，这种方式简单、可靠。

• 缺点：但由于处理器每次对Cache更新时都要对内存进行写操作，因此总线工作繁忙，内存的带宽被大大占用，因此运行速度会受到影响。

  假设一段程序在频繁地修改一个局部变量，尽管这个局部变量的生命周期很短，而且其他进程/线程也用不到它，CPU依然会频繁地在Cache和内存之间交换数据，造成不必要的带宽损失。

回写（write-back）

• 策略：回写系统通过将Cache line的标志位字段添加一个Dirty标志位。当处理器在改写了某个Cache line后，并不是马上把其写回内存，而是将该Cache line的Dirty标志设置为1。
  当处理器再次修改该Cache line并且写回到Cache中，查表发现该Dirty位已经为1，则先将Cache line内容写回到内存中相应的位置，再将新数据写到Cache中。

• 优点：回写相对于直写而言是一种高效的方法。直写不仅浪费时间，而且有时是不必要的，比如上文提到的局部变量的例子。

• 缺点：其实，回写策略在多核系统中会引起Cache一致性的问题。设想有两个处理器核心都需要对某个内存块进行读写，其中一个核心已经修改了该数据块，并且写回到Cache中，设置了Dirty位；这时另外一个核心也完成了该内存块的修改，并且准备写入到Cache中，这时才发现该Cache line是“脏”的。

  在这种情况下，Cache如何处理呢？之后的章节我们会继续这个话题。

总结、比较

回写相较于直写，简而言之就是：

• 修改Cache的行为是不变的，改变的是与此同时往内存进行同步的频率
• 频率低则高效，但更容易引发资源竞争冲突

特殊的地址空间策略

除了上述这两种写策略，还有WC（write-combining）和UC（uncacheable）。这两种策略都是针对特殊的地址空间来使用的。

WC（write-combining，集合写）

• 场景：针对于具体设备内存（如显卡的RAM）的一种优化处理策略。

  对于这些设备来说，数据从Cache到内存转移的开销比直接访问相应的内存的开销还要高得多，所以应该尽量避免过多的数据转移。

  例如：试想，如果一个Cache line里的字被改写了，处理器将其写回内存，紧接着又一个字被改写了，处理器又将该Cache line写回内存，这样就显得低效。

  例如：符合这种情况的一个例子就是显示屏上水平相连的像素点数据。

• 策略：顾名思义，这种策略就是当一个Cache line里的数据一个字一个字地都被改写完了之后，才将该Cache line写回到内存中。

UC（uncacheable，不可缓存的）

• 场景：uncacheable内存是一部分特殊的内存

  例如：比如PCI设备的I/O空间通过MMIO方式被映射成内存来访问。这种内存是不能缓存在Cache中的，因为设备驱动在修改这种内存时，总是期望这种改变能够尽快通过总线写回到设备内部，从而驱动设备做出相应的动作。如果放在Cache中，硬件就无法收到指令。