 [基础知识]cache以及命中率 |
cache n. 高速缓冲存储器 一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。
Cache的出现是基于两种因素：首先，是由于CPU的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高，第二就是程序执行的局部性特点。因此，才将速度比较快而容量有限的SRAM构成Cache，目的在于尽可能发挥CPU的高速度。很显然，要尽可能发挥CPU的高速度就必须用硬件实现其全部功能。
Cache与主存之间可采取多种地址映射方式，直接映射方式是其中的一种。在这种映射方式下，主存中的每一页只能复制到某一固定的Cache页中。由于Cache块(页)的大小为16B，而Cache容量为16KB。因此，此Cache可分为1024页。可以看到，Cache的页内地址只需4位即可表示；而Cache的页号需用10位二进制数来表示；在映射时，是将主存地址直接复制，现主存地址为1234E8F8(十六进制)，则最低4位为Cache的页内地址，即1000，中间10位为Cache的页号，即1010001111。Cache的容量为16KB决定用这14位编码即可表示。题中所需求的Cache的地址为10100011111000。
Cache中的内容随命中率的降低需要经常替换新的内容。替换算法有多种，例如，先入后出(FILO)算法、随机替换(RAND)算法、先入先出(FIFO)算法、近期最少使用(LRU)算法等。这些替换算法各有优缺点，就以命中率而言，近期最少使用(LRU)算法的命中率最高。
浏览器缓存
缓存用于存储一些临时的文件。在浏览网页的过程中，网页会自动存储在用户的硬盘上。下次再浏览相同的网站的时候，系统会自动从硬盘中调出该网页，既节省了时间也减少了网络的交换。用户可以自行设定缓存方便其上网的需要。电脑中还存在高速缓冲存储器和硬盘缓存。缓存的种类：本地服务器缓存、网页缓存、硬盘缓存、一级高速缓存、二级高速缓存。
缓存（cached）是把读取过的数据保存起来，重新读取时若命中（找到需要的数据）就不要去读硬盘了，若没有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删除。
缓冲（buffers）是根据磁盘的读写设计的，把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道，从而提高系统性能。linux有一个守护进程定期清空缓冲内容（即写入磁盘），也可以通过sync命令手动清空缓冲。举个例子吧：我这里有一个ext2的U盘，我往里面cp一个3M的MP3，但U盘的灯没有跳动，过了一会儿（或者手动输入sync）U盘的灯就跳动起来了。卸载设备时会清空缓冲，所以有些时候卸载一个设备时要等上几秒钟。
修改/etc/sysctl.conf中的vm.swappiness右边的数字可以在下次开机时调节swap使用策略。该数字范围是0～100，数字越大越倾向于使用swap。默认为60，可以改一下试试。--两者都是RAM中的数据。
简单来说，buffer是即将要被写入磁盘的，而cache是被从磁盘中读出来的。
buffer是由各种进程分配的，被用在如输入队列等方面。一个简单的例子如某个进程要求有多个字段读入，在所有字段被读入完整之前，进程把先前读入的字段放在buffer中保存。
cache经常被用在磁盘的I/O请求上，如果有多个进程都要访问某个文件，于是该文件便被做成cache以方便下次被访问，这样可提高系统性能。
在计算机系统中设置Cache的一个主要目的是为了提高存储系统的速度，因此，人们最关心的一个问题就是Cache系统的加速比。 假设Cache的访问周期为TC，主存储器的访问周期Tm，则Cache系统的加速比SP（Speedup）可以定义为： 500)this.width=500'> 加速比越高，说明Cache系统的等效访问速度与Cache的速度越接近。 从这个关系式看到，Cache系统的加速比SP是命中率H和主存访问周期Tm与Cache访问周期TC比值的函数。在Cache系统中，主存储器的访问周期Tm和Cache的访问周期TC由于受所用器件的限制通常是一定。因此，要提高Cache系统的加速比SP最好的途径是提高命中率H。 从（5.5）的关系中可以看出，加速比SP与Cache命中率的关系是：当H＝0.5时，加速比SP的期望值为2。当H＝0.75时，加速比SP的期望值为4。当H＝0.9时，加速比SP的期望值达到10。当H＝1时，加速比SP达到最大值 。 加速比SP与Cache命中率H的关系如图5.33所示。由于命中率H的值一般都大于0.9，能达到0.99以上，因此，从上面的关系中可以看出，实际上Cache的加速比SP能够接近于它的最大值 。
图 5.33 Cache的加速比Sp与命中率H的关系
500)this.width=500'>
Cache的命中率H主要与如下几个因素有关：程序在执行过程中的地址流分布情况；当发生Cache块失效时，所采用的替换算法；Cache的容量；在组相联映象方式中，块的大小和分组的数目；所采用的Cache预取算法等。其中，地址流的分布情况是由程序本身决定的，系统设计人员一般无能为力。块替换算法，已经在上一节中已经介绍过。Cache预取算法将在下面的另外一节中专门介绍。以下，对影响Cache命中率的另外几个因素作简单的分析。 1、Cache命中率与容量的关系 Cache的命中率随它的容量的增加而提高，它们之间的关系曲线如图5.34所示。在Cache容量比较小的时候，命中率的提高得非常快，随着Cache容量的增加，命中率提高的速度逐渐降低。当Cache容量增加到无穷大时，命中率可望达到100％，但是，这在实际上是做不到的。
图 5.34 Cache命中率与容量的关系
500)this.width=500'>
在一般情况下，图5.34中的关系曲线可以近似地表示为H＝1－S－0.5。因此，当Cache的容量达到一定值之后，再增加Cache容量，命中率的提高很少。 2、Cache命中率与块大小的关系 在采用组相联映象方式的Cache中，当Cache的容量一定时，块的大小对命中率的影响非常敏感。图5.35表示随着Cache块的由小到大的变化，命中率上升和下降的情况。
图 5.35 Cache命中率与块大小的关系
500)this.width=500'>
开始时，块大小很小，例如只有一个存储单元，这时的命中率H很低。随着块大小的增加，由于程序的空间局部性起作用，同一块中数据的利用率比较高，因此，Cache的命中率增加。这种增加趋势在某一个最佳块大小处达到最大值。在这一点以后，命中率随着块大小的增加反而减小。 实际上，当块大小非常大时，进入Cache中的许多数据可能根本用不上。而且，随着块大小的增加，程序时间局部性的作用就会逐渐减弱。最后，当块大小等于整个Cache的容量时，命中率将趋近于零。 3、Cache命中率与组数的关系 当Cache的容量一定时，在采用组相联映象和变换方式的Cache中，分组的数目对于Cache命中率的影响是很明显的。随着组数的增加，Cache的命中率要降低。当组数不太大时，例如，512组以下，命中率的降低相当少，当组数超过一定数量时，命中率的下降非常快。 由于在组相联映象方式中，组间是采用直接映象方式的，只有组内采用全相联映象方式。当分组的数目增加时，主存中的某一块可以映象到Cache中的块数就将减少，从而导致命中率下降。
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