【Cache缓存】分配策略

Cache分配策略(Cache allocation policy)

        cache的分配策略是指什么情况下为数据分配cache line（是否需要将数据从主存中分配到cache中）。cache分配策略分为读和写两种情况。

读分配(read allocation)

当CPU读数据时，发生cache miss，这种情况下都会分配一个cache line，缓存从主存读取的数据。默认情况下，cache都支持读分配。

写分配(write allocation)

        当CPU写数据发生cache miss时，才会考虑写分配策略。

1、当不支持写分配（No-write allocate）的情况下，写指令只会更新主存数据，然后就结束了。

2、当支持写分配（Write allocate）的时候，我们首先从主存中加载数据到cache line中（相当于先做个读分配动作），然后更新cache line中的数据。

Cache更新策略(Cache update policy)

        cache更新策略是指当发生cache hit时，写操作如何更新数据(如是否先写到cache中，等到实在有必要时再写入到主存中)。cache更新策略分成两种：写直通和回写。

写直通(write through)

        当CPU执行store指令并在cache hit时，我们更新cache中的数据并且更新主存中的数据。cache和主存的数据始终保持一致。

写回(write back)

        当CPU执行store指令并在cache hit时，我们只更新cache中的数据。并且每个cache line中会有一个bit位记录数据是否被修改过，称之为dirty bit（翻翻前面的图片，cache line旁边有一个D就是dirty bit）。我们会将dirty bit置位。主存中的数据只会在cache line被替换或者显示的clean操作时更新。因此，主存中的数据可能是未修改的数据，而修改的数据躺在cache中。cache和主存的数据可能不一致。

        同时思考个问题，为什么cache line大小是cache控制器和主存之间数据传输的最小单位呢？这也是因为每个cache line只有一个dirty bit。这一个dirty bit代表着整个cache line是否被修改的状态。

Post write

        CPU更新cache数据时，把更新的数据写入到一个更新缓冲器，在合适的时候才对memory(后端存储)进行更新。这样可以提高cache访问速度，但是，在数据连续被更新两次以上的时候，缓冲区将不够使用，被迫同时更新memory(后端存储)。

实例

        假设有一个64 Bytes大小直接映射缓存，cache line大小是8 Bytes，采用写分配和写回机制。当CPU从地址0x2a读取一个字节，cache中的数据将会如何变化呢？假设当前cache状态如下图所示(tag旁边valid一栏的数字1代表合法。0代表非法。后面Dirty的1代表dirty，0代表没有写过数据，即非dirty)。

        如上图，根据index找到对应的cache line，对应的tag部分valid bit是合法的，但是tag的值不相等，发生缺失。此时需要从地址0x28地址加载8字节数据到该cache line中。但是，我们发现当前cache line的dirty bit置位。因此，cache line里面的数据不能被简单的丢弃，由于采用写回机制，所以我们需要将cache中的数据0x11223344写到地址0x0128地址（这个地址根据tag中的值及所处的cache line行计算得到）。这个过程如下图所示。

        当写回操作完成，我们将主存中0x28地址开始的8个字节加载到该cache line中，并清除dirty bit。然后根据offset找到0x52返回给CPU。