高速缓存替换策略

‘壹’ 高速缓冲存储器的组成结构

高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。
主要由三大部分组成：
Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

‘贰’ 什么是Cachecache有什么用说明cache的几种替换策略

Cache是什么
Cache是一种特殊的存储器，它由Cache 存储部件和Cache控制部件组成。Cache 存储部件一般采用与CPU同类型的半导体存储器件，存取速度比内存快几倍甚至十几倍。而Cache 控制器部件包括主存地址寄存器、Cache 地址寄存器，主存—Cache地址变换部件及替换控制部件等。至于它们各自又是怎样工作的、有何作用等等，我想我们就没有必要做进一步的研究，知道一般Cache分为L1 Cache(其中又分为数据Cache、代码Cache)、L2 Cache就行了。
根据程序局部性规律可知：程序在运行中，总是频繁地使用那些最近被使用过的指令和数据。这就提供了替换策略的理论依据。综合命中率、实现的难易及速度的快慢各种因素，替换策略可有随机法、先进先出法、最近最少使用法等。

1.随机法（RAND法）

随机法是随机地确定替换的存储块。设置一个随机数产生器，依据所产生的随机数，确定替换块。这种方法简单、易于实现，但命中率比较低。

2.先进先出法（FIFO法）

先进先出法是选择那个最先调入的那个块进行替换。当最先调入并被多次命中的块，很可能被优先替换，因而不符合局部性规律。这种方法的命中率比随机法好些，但还不满足要求。先进先出方法易于实现，例如Solar－16/65机Cache采用组相联方式，每组4块，每块都设定一个两位的计数器，当某块被装入或被替换时该块的计数器清为0，而同组的其它各块的计数器均加1，当需要替换时就选择计数值最大的块被替换掉。

3.最近最少使用法（LRU法）

LRU法是依据各块使用的情况， 总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程序局部性规律。
实现LRU策略的方法有多种。 下面简单介绍计数器法、寄存器栈法及硬件逻辑比较对法的设计思路。
计数器方法：缓存的每一块都设置一个计数器，计数器的操作规则是：
(1) 被调入或者被替换的块， 其计数器清“0”，而其它的计数器则加“1”。
(2) 当访问命中时，所有块的计数值与命中块的计数值要进行比较，如果计数值小于命中块的计数值，则该块的计数值加“1”；如果块的计数值大于命中块的计数值，则数值不变。最后将命中块的计数器清为0。
(3) 需要替换时，则选择计数值最大的块被替换。

‘叁’ 高速缓冲存储器的工作原理

高速缓冲存储器通常由高速存储器、联想存储器、替换逻辑电路和相应的控制线路组成。在有高速缓冲存储器的计算机系统中，中央处理器存取主存储器的地址划分为行号、列号和组内地址三个字段。于是，主存储器就在逻辑上划分为若干行；每行划分为若干的存储单元组；每组包含几个或几十个字。高速存储器也相应地划分为行和列的存储单元组。二者的列数相同，组的大小也相同，但高速存储器的行数却比主存储器的行数少得多。
联想存储器用于地址联想，有与高速存储器相同行数和列数的存储单元。当主存储器某一列某一行存储单元组调入高速存储器同一列某一空着的存储单元组时，与联想存储器对应位置的存储单元就记录调入的存储单元组在主存储器中的行号。
当中央处理器存取主存储器时，硬件首先自动对存取地址的列号字段进行译码，以便将联想存储器该列的全部行号与存取主存储器地址的行号字段进行比较：若有相同的，表明要存取的主存储器单元已在高速存储器中，称为命中，硬件就将存取主存储器的地址映射为高速存储器的地址并执行存取操作；若都不相同，表明该单元不在高速存储器中，称为脱靶，硬件将执行存取主存储器操作并自动将该单元所在的那一主存储器单元组调入高速存储器相同列中空着的存储单元组中，同时将该组在主存储器中的行号存入联想存储器对应位置的单元内。
当出现脱靶而高速存储器对应列中没有空的位置时，便淘汰该列中的某一组以腾出位置存放新调入的组，这称为替换。确定替换的规则叫替换算法，常用的替换算法有:最近最少使用算法（LRU）、先进先出法（FIFO）和随机法（RAND）等。替换逻辑电路就是执行这个功能的。另外，当执行写主存储器操作时，为保持主存储器和高速存储器内容的一致性，对命中和脱靶须分别处理。
主-辅存存储层次 由于计算机主存容量相对于程序员所需要的容量来说总是太小，程序与数据从辅存调入主存是由程序员自己安排的，程序员必须花费很大精力和时间把大程序预先分成块，确定好这些程序块在辅存中的位置和装入主存的地址，而且还要预先安排好程序运行时各块如何和何时调入调出，因此存在存储空间的分配问题。操作系统的形成和发展使得程序员尽可能摆脱主、辅存之间的地址定位，同时形成了支持这些功能的“辅助硬件”，通过软件、硬件的结合，把主存和辅存统一成了一个整体，如图所示。这时，由主存、辅存形成了一个存储层次，即存储系统。从整体看，其速度接近于主存的速度，其容量则接近于辅存的容量，而每位的平均价格也接近于廉价的慢速的辅存平均价格。这种系统不断发展和完善，就逐步形成了现在广泛使用的虚拟存储系统。在系统中，应用程序员可用机器指令地址码对整个程序统一编址，如同程序员具有对应这个地址码宽度的全部虚存空间一样。该空间可以比主存实际空间大得多，以致可以存得下整个程序。这种指令地址码称为虚地址（虚存地址、虚拟地址）或逻辑地址，其对应的存储容量称为虚存容量或虚存空间；而把实际主存的地址称为物理地址、实（存）地址，其对应的存储容量称为主存容量、实存容量或实（主）存空间
主-辅存存储层次 地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址，两者之间的对应关系。下面介绍三种地址映象的方式。
1.全相联方式
地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cache中的任意一块
(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，则映象关系共有Cb×Mb种。
目录表存放在相关（联）存储器中，其中包括三部分：数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位（也称装入位）。由于是全相联方式，因此，目录表的容量应当与缓存的块数相同。
优点：命中率比较高，Cache存储空间利用率高。
缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而应用少。
2.直接相联方式
地址映象规则： 主存储器中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。
(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。
(3) 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。
主存中各区内相同块号的数据块都可以分别调入缓存中块号相同的地址中，但同时只能有一个区的块存入缓存。由于主、缓存块号相同，因此，目录登记时，只记录调入块的区号即可。主、缓存块号及块内地址两个字段完全相同。目录表存放在高速小容量存储器中，其中包括二部分：数据块在主存的区号和有效位。目录表的容量与缓存的块数相同。
优点：地址映象方式简单，数据访问时，只需检查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。
缺点：替换操作频繁，命中率比较低。
3.组相联映象方式
组相联的映象规则：
(1) 主存和Cache按同样大小划分成块。
(2) 主存和Cache按同样大小划分成组。
(3) 主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。
(4) 当主存的数据调入缓存时，主存与缓存的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放，即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式；在两个对应的组内部采用全相联映象方式。
主存地址与缓存地址的转换有两部分，组地址是按直接映象方式，按地址进行访问，而块地址是采用全相联方式，按内容访问。组相联的地址转换部件也是采用相关存储器实现。
优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。
缺点：实现难度和造价要比直接映象方式高。 1. 根据程序局部性规律可知：程序在运行中，总是频繁地使用那些最近被使用过的指令和数据。这就提供了替换策略的理论依据。综合命中率、实现的难易及速度的快慢各种因素，替换策略可有随机法、先进先出法、最近最少使用法等。
（1）.随机法（RAND法）
随机法是随机地确定替换的存储块。设置一个随机数产生器，依据所产生的随机数，确定替换块。这种方法简单、易于实现，但命中率比较低。
（2）.先进先出法（FIFO法）
先进先出法是选择那个最先调入的那个块进行替换。当最先调入并被多次命中的块，很可能被优先替换，因而不符合局部性规律。这种方法的命中率比随机法好些，但还不满足要求。先进先出方法易于实现，
（3）.最近最少使用法（LRU法）
LRU法是依据各块使用的情况， 总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程序局部性规律。 实现LRU策略的方法有多种。
2 在多体并行存储系统中，由于 I/O 设备向主存请求的级别高于 CPU 访存，这就出现了 CPU 等待 I/O 设备访存的现象，致使 CPU 空等一段时间，甚至可能等待几个主存周期，从而降低了 CPU 的工作效率。为了避免 CPU 与 I/O 设备争抢访存，可在 CPU 与主存之间加一级缓存，这样，主存可将 CPU 要取的信息提前送至缓存，一旦主存在与 I/O 设备交换时， CPU 可直接从缓存中读取所需信息，不必空等而影响效率。
3 目前提出的算法可以分为以下三类（第一类是重点要掌握的）：
（1）传统替换算法及其直接演化，其代表算法有 ：①LRU（ Least Recently Used）算法：将最近最少使用的内容替换出Cache ；②LFU（ Lease Frequently Used）算法：将访问次数最少的内容替换出Cache；③如果Cache中所有内容都是同一天被缓存的，则将最大的文档替换出Cache，否则按LRU算法进行替换 。④FIFO( First In First Out)：遵循先入先出原则，若当前Cache被填满，则替换最早进入Cache的那个。
（2）基于缓存内容关键特征的替换算法，其代表算法有：①Size替换算法：将最大的内容替换出Cache②LRU— MIN替换算法：该算法力图使被替换的文档个数最少。设待缓存文档的大小为S，对Cache中缓存的大小至少是S的文档，根据LRU算法进行替换；如果没有大小至少为S的对象，则从大小至少为S/2的文档中按照LRU算法进行替换；③LRU—Threshold替换算法：和LRU算法一致，只是大小超过一定阈值的文档不能被缓存；④Lowest Lacency First替换算法：将访问延迟最小的文档替换出Cache。
（3）基于代价的替换算法，该类算法使用一个代价函数对Cache中的对象进行评估，最后根据代价值的大小决定替换对象。其代表算法有：①Hybrid算法：算法对Cache中的每一个对象赋予一个效用函数，将效用最小的对象替换出Cache；②Lowest Relative Value算法：将效用值最低的对象替换出Cache；③Least Normalized Cost Replacement（LCNR）算法：该算法使用一个关于文档访问频次、传输时间和大小的推理函数来确定替换文档；④Bolot等人 提出了一种基于文档传输时间代价、大小、和上次访问时间的权重推理函数来确定文档替换；⑤Size—Adjust LRU（SLRU）算法：对缓存的对象按代价与大小的比率进行排序，并选取比率最小的对象进行替换。

‘肆’ 计算机中为什么要采用高速缓存器(CACHE)

是为了解决低速的外设和高速的CPU之间速度不匹配的问题。

主要由三大部分组成：

1、Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。

2、地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

3、替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

在有高速缓冲存储器的计算机系统中，中央处理器存取主存储器的地址划分为行号、列号和组内地址三个字段。

于是，主存储器就在逻辑上划分为若干行；每行划分为若干的存储单元组；每组包含几个或几十个字。高速存储器也相应地划分为行和列的存储单元组。二者的列数相同，组的大小也相同，但高速存储器的行数却比主存储器的行数少得多。

(4)高速缓存替换策略扩展阅读

当中央处理器存取主存储器时，高速缓存器首先自动对存取地址的列号字段进行译码，以便将联想存储器该列的全部行号与存取主存储器地址的行号字段进行比较：若有相同的，表明要存取的主存储器单元已在高速存储器中，称为命中，硬件就将存取主存储器的地址映射为高速存储器的地址并执行存取操作。

若都不相同，表明该单元不在高速存储器中，称为脱靶，硬件将执行存取主存储器操作并自动将该单元所在的那一主存储器单元组调入高速存储器相同列中空着的存储单元组中，同时将该组在主存储器中的行号存入联想存储器对应位置的单元内。

当出现脱靶而高速存储器对应列中没有空的位置时，便淘汰该列中的某一组以腾出位置存放新调入的组，这称为替换。确定替换的规则叫替换算法，常用的替换算法有:最近最少使用算法（LRU）、先进先出法（FIFO）和随机法（RAND）等。

替换逻辑电路就是执行这个功能的。另外，当执行写主存储器操作时，为保持主存储器和高速存储器内容的一致性，对命中和脱靶须分别处理。

‘伍’ 高速缓冲存储器的作用是什么

高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。

根据程序局部性原理，正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。因而，当中央处理器存取主存储器某一单元时，计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器，中央处理器即将存取的主存储器单元很可能就在刚刚调入到高速缓冲存储器的那一组单元内。

所以中央处理器就可以直接对高速缓冲存储器进行存取。在整个处理过程中，如果中央处理器绝大多数存取主存储器的操作能为存取高速缓冲存储器所代替，计算机系统处理速度就能显着提高。

(5)高速缓存替换策略扩展阅读：

提高高速缓冲存储器读取命中率的算法：

1、随机法：随机替换算法就是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去，此算法简单、易于实现，而且它不考虑Cache块过去、现在及将来的使用情况，但是没有利用上层存储器使用的“历史信息”、没有根据访存的局部性原理。

2、先进先出法：先进先出算法就是将最先进入Cache的信息块替换出去。FIFO算法按调入Cache的先后决定淘汰的顺序，选择最早调入Cache的字块进行替换，它不需要记录各字块的使用情况，比较容易实现，系统开销小。

3、近期最少使用法：近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法。这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。该算法较先进先出算法要好一些。但此法也不能保证过去不常用将来也不常用。

‘陆’ 计算机内，配置高速缓冲存储器（CACHE）是为了解决什么

B，CPU与内存储器之间速度不匹配问题。

高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。

高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。

(6)高速缓存替换策略扩展阅读：

高速缓冲存储器组成结构

高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。

主要由三大部分组成：

1、Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。

2、地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

3、替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

‘柒’ 在主存和CPU之间增加cache的目的是_______。

解决CPU与内存之间的速度匹配问题。cache是电脑中的高速缓冲存储器，其主要工作原理是保存CPU刚用过或循环使用的一部分数据。如果CPU需要再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就避免了重复存取数据，减少了CPU的等待时间，因而提高了系统的效率。

Cache容量小但速度快，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。Cache一般可以分为L1Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存），L1Cache主要是集成在CPU内部，L2Cache集成在主板上或是CPU上。

(7)高速缓存替换策略扩展阅读：

cache的组成结构：

1、Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。

2、地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

3、替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

cache命中率算法：

1、随机法，用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去，此算法简单、易于实现，而且它不考虑Cache块过去、现在及将来的使用情况，但是没有利用上层存储器使用的“历史信息”、没有根据访存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率，命中率较低。

2、先进先出法，将最先进入Cache的信息块替换出去。FIFO算法按调入Cache的先后决定淘汰的顺序，选择最早调入Cache的字块进行替换。

3、近期最少使用法，将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。该算法较先进先出算法要好一些。但此法也不能保证过去不常用将来也不常用。

‘捌’ 急！！！cache和虚拟存储器在原理和功能上有什么相同和不同。

正确答案：

相同处是都利用了程序局部性原理，把程序划分为许多信息块，运行时能自动地把信息块从慢速存储器向快速存储器调度，信息块调度都采用一定的替换策略以提高继续运行时的命中率。它们采用的地址变换、地址映象方式和替换算法是相同的。

不同处是CACHE用于弥补主存与CPU之间的速度差异，而虚存用于弥补主存容量的不足；CACHE每次传送的信息块是定长的，只有几十个字节。虚存的信息块可定长（页）的，也可是不定长的（段），长度也比较大；CPU可直接访问CACHE，但不能直接访问辅存；CACHE的信息交换过程全由硬件实现，主辅存间的信息交换则通过辅助硬件与存储管理软件来完成。

2、答：一次重叠把一条指令解释的过程分解成两个过程，而流水则把指令的解释分解为更多的过程；一次重叠可同时解释两条指令，而流水则可解释多条命令；一次重叠是流水的特征。

3、答：由三部分组成：（1）外部设备：是围绕主机而设置的各种信息媒体转换的传递的设备。（2）设备控制器与接口：控制主机与外部设备之间的信息格式转换、交换过程及外部设备运行状态的硬、软件，也叫设备适配器，它与外部设备的特性有关。（3）I/O总线：是主机与外部设备之间的信息传送通路。

从使用角度，可分成人-机交互设备，如键盘、打印机、显示器等；机-机通信设备，如MODEM等；计算机信息的驻在设备，如磁盘、光盘、磁带等。

‘玖’ 关于cache的一道题

解释下为什么会发编译错误。由于PackagedClass和Foreign存在不同包中。而classPackagedClass并没有声明为public。Foreign又要引用PackagedClass，所以会发生编译错误。解决方法是把classPackagedClass改成publicclassPackagedClass

‘拾’ 主存与cache有什么区别

主存储器一般指的是内存，cache指的是高速缓存，高速缓存内是CPU和内存之间交换的数据，内存里面一般是CPU和硬盘之间的数据，由于硬盘的读写速度远远低于CPU的处理速度，所以要把数据预读在内存里，另外，内存还存放着系统当前正在运行的数据。还有一种虚拟内存，是用于解决内存不足的问题而产生的。