CPU加了緩存后，有人急了
Hi，我是 CPU 一號車間的阿 Q，還記得我嗎，真是好久不見了～我所在的 CPU 是一個八核 CPU，就有八個工作車間，那運行起來速度杠桿的～
圖片來自 包圖網
虛擬地址翻譯
一大早，我們一號車間 MMU(內存管理單元)部門的小黑就來到領導辦公室，恰好我也在。
“領導，聽說您同意了阿 Q 他們的方案，給每個車間都劃撥了緩存建設預算?”
“你這小子，消息還挺靈通的。沒錯，內存那家伙實在太慢了，加了緩存后，不用每次都從內存讀取數據，能讓咱們的性能提升不少”，領導說到。
“那我們 MMU 部門也要申請一筆經費”，小黑說到。
領導眉頭一緊，問道：“你們要申請經費干什么?”
“我們也要建設緩存”
“你們 MMU 部門做地址翻譯工作，要緩存做什么，怕不是看領導給我們撥了款，眼紅了吧?”，我在一旁說到。
小黑轉過身來，看著我說道：“說我眼紅，我倒是問你，你知道虛擬地址翻譯的過程嗎?”
這可難不倒我，以前就沒少聽他說過，“怎么不知道?以 32 位的虛擬地址為例，一個 32 位的虛擬地址分為三部分，分別是頁目錄索引、頁表索引、頁內偏移。
翻譯的時候，從 CR3 寄存器中取出頁目錄地址，根據頁目錄索引找到頁表，再根據頁表索引找到物理內存頁面，最后根據頁內偏移，完成尋址。我說的對吧?”
“嘿，你小子不錯啊，記性挺好”，小黑有點不敢相信，隨后又問到：“既然你知道，那我再問你，這讀取一次數據，需要訪問幾次內存?”
我思考了一下，開始算了起來。從頁目錄表中讀取一次，從頁表中再讀取一次，最后訪問頁面內數據再讀取一次，總共就是三次。
“需要訪問三次內存!”，我回答到。
小黑點了點頭說道：“沒錯，你知道的，內存那家伙本來就慢，這每讀寫一個數據，都要訪問內存三次，這誰頂得住啊?”
說的是啊，內存那家伙慢我是知道的，但讀寫一次就要折騰三回，我倒是沒想過。
“就這還是 32 位地址的情況，我還沒算 64 位下變成了 4 級頁表呢，那訪問內存的次數就更多了!”
“好在咱們馬上就要建設緩存設施了，也不用每次都從內存讀取數據，要是緩存能找到，就不用讀取內存了嘛!”
“可是查頁目錄和頁表還是得要兩次啊”，小黑說到。
“要是能把地址翻譯的結果也緩存起來就好，就不用每次都從內存查了”，我陷入了思考。
“你看，你跟我想到一會兒去了，所以我才向領導申請，咱們 MMU 部門也加上緩存，這樣地址翻譯變快了，咱們整個車間工作效率才高嘛!”
這時，領導站了起來，說道：“唉～格局要打開，光你們一號車間提高不行，得發動全廠八個車間一起。小黑，經費的問題不用擔心，這事由你牽頭，把其他幾個車間的 MMU 部門負責人召集起來開個會，把你說的方案落地下去”
“沒問題!”，領導這么一說，小黑高興壞了。
地址翻譯緩存
回去的路上，我又忍不住好奇，向小黑打聽起來：“你們這翻譯地址用的緩存，準備怎么個弄法?”
“我還沒想的很成熟，只有個大概的方案”
“快給我透露一下”
“好吧，告訴你也無妨!我舉個例子吧，假設要翻譯的虛擬地址是 0x12345678，這是一個 32 位的地址，前面的 20 位是 0x12345000，經過兩次查表后，定位到真實的物理頁面 0x00abc000，最后再加上頁內偏移，翻譯結果就是 0x00abc678”
“地址翻譯完成后，將虛擬頁編號 0x12345 和物理頁編號 0x00abc 的映射關系記錄起來放到緩存中”
“在進行地址翻譯的時候，先去這個緩存里瞅一瞅，看看有沒有記錄過，如果有就直接用之前記錄的，找不到再去內存頁表中找。跟局部性原理類似，翻譯過的地址，在接下來一段時間內再次用到的可能性很大，所以這個緩存是很有必要的!”，小黑非常自信的說道。
“聽上去很不錯，期待早點上馬啊!”
TLB
過了幾天，我打算去 MMU 部門轉轉，想看看他們的緩存搞的咋樣了。
一進門，只見小黑和其他幾個車間的 MMU 部門負責人正在緊張的討論著，一旁的畫板上畫了不少條條框框的圖。
“小黑老哥，你們這是在做什么呢?”
“我們正在研究這個翻譯記錄緩存項的存儲方式呢!你來的正好，我們討論了半天也沒什么好的思路，快來幫我出出主意”
我有些好奇，問道：“什么問題把你們都難倒了?”
“就是虛擬地址翻譯的結果，我們不知道怎么存了!”
“這有什么好糾結的，緩存空間就那么大，一個翻譯結果就是一條記錄，一條一條的存唄”
二號車間 MMU 負責人連連揮手，“沒你想的這么簡單，按照你這種存法，那在翻譯地址的時候，怎么查找?難道要全部掃描一遍?”
我愣了一下，“啊這，我倒是沒想這么多···不過緩存空間也不大，存不了太多翻譯結果，全部掃描也還好吧?”
“那可不行，咱們 CPU 的目標就是要把性能優化到極致，這種方案上了，領導還不得罵死我”，小黑說到。
我想了想，“有了，給虛擬頁編號取模，每個虛擬頁的翻譯記錄只能存在緩存中固定的位置，這樣不用全部掃描，一次就能定位，是不是很贊?”
小黑搖了搖頭：“這個方案我們剛才也討論過了，緩存空間有限，會導致大量的虛擬頁取模后映射到同一個存儲位置，就會經常沖突，也不是個好辦法!”
“看來還真有點麻煩啊”，我也不自覺的皺起了眉頭，陷入了思考之中。
“可不是嘛，所以我們才頭疼啊”
空氣突然安靜，所有人都在低頭沉思。
“哎，有了!”，一個念頭在我腦中閃現。
“什么辦法?快說說看”
“分組連接!”
“分組連接?”，眾人問到。
“沒錯!把前面這兩種方案結合一下。可以把緩存存儲空間劃分很多個組，全部遍歷太慢，直接取模映射又容易沖突，那如果映射的結果不是一個固定的位置，而是一個分組呢?”
“聽上去不錯唉，這樣既降低了沖突，遍歷也只需在分組區間里進行了，工作量大大降低了，真是個好辦法”
小黑和大家都一致同意了我的想法。
“那怎么分組呢，多少項為一組呢?”，有人問到。
“嗯，這個我也說不好，得做實驗驗證，2、4、8、16 都可以試試，實踐出真知嘛!”
“好，沒問題，咱們下來測試下”
“我還有一個問題，你們的這個緩存項什么時候更新呢?咱們在保護模式下，不同的進程中，同一個虛擬頁翻譯后對應的物理頁面可是不同的，你們可不要用了錯誤的緩存，那可就出大亂子了!”
“嗨，這還用你說，在場的各位干這份工作時間都不短了，這一點我們比你更清楚。進程切換的時候，會把新進程的頁目錄表基地址寫到 CR3 寄存器中，那時候我們就會把緩存中的數據全部清掉啦!”，小黑胸有成竹的說到。
“也不用全部清掉吧，像有些內核頁面，是所有進程共享的，就可以保留啊”
小黑點了點頭，“有道理，看來得給地址翻譯記錄增加一個標記，用來標記是不是全局有效”
一個月后，八個車間 MMU 部門的緩存全部建設完成，當天便投入使用，咱們這個 CPU 的運行效率一下突飛猛進，這緩存的威力可真是太大了。
為了跟我們的一二級緩存相區分，小黑還給他們的地址翻譯緩存取了一個響亮的名字：TLB——翻譯后備緩沖區。
作者：軒轅之風
編輯：陶家龍
來源：轉載自公眾號編程技術宇宙(ID：xuanyuancoding)
