Cache替换策略和Write-through介绍

Cache和存储器一样具有两种基本操作，即读操作和写操作。当CPU发出读操作命令时，根据它产生的主存地址分为两种情形：一种是需要的数据已在Cache中，那么只需要直接访问Cache，从对应单元中读取信息到数据总线即可；

另一种是需要的数据尚未装入Cache，CPU需要从主存中读取信息的同时，Cache替换部件把该地址所在的那块存储内容从主存复制到Cache中。若Cache中相应位置已被字块占满，就必须去掉旧的字块。常见的替换策略有以下两种：

1-先进先出策略（FIFO）

FIFO（First In First Out）策略总是把最先调入的Cache字块替换出去，它不需要随时记录各个字块的使用情况，较容易实现。缺点是经常使用的块，如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。

2-最近最少使用策略（LRU）

LRU（Least Recently Used）策略是把当前近期Cache中使用次数最少的信息块替换出去，这种替换算法需要随时记录Cache中字块的使用情况。LRU的平均命中率比FIFO高，在组相联映像方式中，当分组容量加大时，LRU的命中率也会提高。

关于Write-through和Write-back

1-对于磁盘操作来说

write-through的意思是写操作根本不使用缓存，数据总是直接写入磁盘，关闭写缓存，可释放缓存用于读操作（缓存被读写操作共用）。

write-back的意思是数据不直接被写入磁盘，而是先写入缓存，再由控制器将缓存内未写入磁盘的数据写入磁盘，从应用程序的角度看，比等待完成磁盘写入操作要快得多，因此可以提高写性能。

但是write-back（write cache）方式通常在磁盘负荷较轻时速度更快。负荷重时，每当数据被写入缓存后，就要马上再写入磁盘以释放缓存来保存将要写入的新数据，这时如果数据直接写入磁盘，控制器会以更快的速度运行。因此，负荷重时，将数据先写入缓存反而会降低吞吐量。

2-对于CPU内部的cache缓冲模式来说

Write-Through和Write-Back，前者是按顺序来一个写一个，而后者则是先将资料按一定数量保存在缓冲区中，然后将相同位置的数据一次性写出。举例说明：有一部电梯，如果按先入先出的原则，即write through模式，第一个人去3楼，第二个去2楼，第三个也去3楼，那么这电梯就得先到3楼，然后到2楼，再去3楼。

但如果在write back模式下，电梯先到2楼把第二个人送出去，然后再到3楼把第一个人和第三个人送出去，效率显然高多了。早期的cache只有write through模式，但现在的cache都使用write back模式了。

3-其他的解释

•Write-Through：在write的时候，同步更新cache和memory中的数据。

•Write-Back：在write的时候更新cache，但是memory中的数据不一定同步更新，只有当cache到一定程度才会把cache中的数据刷到memory中，或者通过cache指令刷新，不会同步自动刷新。

•cache line的意思是假设你那条指令只要从memory中读4个字节，但是一般来说你接下来的指令很有可能要读这4个字节后面的数据，所以一般硬件会多读一些数据进入cache，比如64字节，那么这64字节就是一个cache line。而如果你这个cache line里的数据长时间不被CPU访问，那么这个cache line可能会被选中换出，这时候就必须把cache里被改过的信息写回memory了。