4路组相联映射的LRU替换算法实现

4路组相联映射（4-way set-associative mapping）是指将主存地址空间划分为若干个组（set），每个组包含4个缓存行（cache line）。一个主存地址可以映射到任意一个组中的某个缓存行中，因此称为4路组相联映射。

LRU（Least Recently Used）是一种缓存替换算法，用于决定在缓存满时哪个缓存行应该被替换。LRU算法基于最近使用情况，将最近最少使用的缓存行替换掉。

下面是4路组相联映射的LRU替换算法实现：

#define CACHE_SIZE 16            // 缓存大小
#define CACHE_LINE_SIZE 4        // 缓存行大小
#define SET_SIZE 4               // 组大小
#define NUM_SETS (CACHE_SIZE / (SET_SIZE * CACHE_LINE_SIZE))  // 组数

// 定义缓存行结构体
typedef struct {
    unsigned int tag;           // 标记位
    bool valid;                 // 有效位
    int lru;                    // LRU计数器
} CacheLine;

// 定义组结构体
typedef struct {
    CacheLine lines[SET_SIZE];  // 缓存行数组
} CacheSet;

// 定义缓存结构体
typedef struct {
    CacheSet sets[NUM_SETS];    // 组数组
} Cache;

// 初始化缓存
void init_cache(Cache* cache) {
    for (int i = 0; i < NUM_SETS; i++) {
        for (int j = 0; j < SET_SIZE; j++) {
            cache->sets[i].lines[j].tag = 0;
            cache->sets[i].lines[j].valid = false;
            cache->sets[i].lines[j].lru = SET_SIZE - j - 1;
        }
    }
}

// 查找缓存
bool find_cache(Cache* cache, unsigned int addr) {
    unsigned int tag = addr / CACHE_LINE_SIZE;  // 计算标记位
    int set_index = (addr / CACHE_LINE_SIZE) % NUM_SETS;  // 计算组索引

    // 在组中查找缓存行
    for (int i = 0; i < SET_SIZE; i++) {
        if (cache->sets[set_index].lines[i].valid && cache->sets[set_index].lines[i].tag == tag) {
            // 命中，更新LRU计数器
            for (int j = 0; j < SET_SIZE; j++) {
                if (cache->sets[set_index].lines[j].lru < cache->sets[set_index].lines[i].lru) {
                    cache->sets[set_index].lines[j].lru++;
                }
            }
            cache->sets[set_index].lines[i].lru = 0;
            return true;
        }
    }

    // 未命中，替换缓存行
    for (int i = 0; i < SET_SIZE; i++) {
        if (!cache->sets[set_index].lines[i].valid) {
            // 找到无效缓存行，直接替换
            cache->sets[set_index].lines[i].tag = tag;
            cache->sets[set_index].lines[i].valid = true;
            cache->sets[set_index].lines[i].lru = 0;
            return false;
        }
    }

    // 没有无效缓存行，使用LRU算法替换
    int lru_index = 0;
    for (int i = 0; i < SET_SIZE; i++) {
        if (cache->sets[set_index].lines[i].lru > cache->sets[set_index].lines[lru_index].lru) {
            lru_index = i;
        }
    }
    cache->sets[set_index].lines[lru_index].tag = tag;
    cache->sets[set_index].lines[lru_index].valid = true;
    cache->sets[set_index].lines[lru_index].lru = 0;
    for (int i = 0; i < SET_SIZE; i++) {
        if (i != lru_index) {
            cache->sets[set_index].lines[i].lru++;
        }
    }
    return false;
}

以上是C语言实现的4路组相联映射的LRU替换算法。其中，`init_cache`函数用于初始化缓存，`find_cache`函数用于查找缓存并进行替换。在`find_cache`函数中，首先计算出地址对应的标记位和组索引，然后在组中查找缓存行。如果命中，则更新LRU计数器，如果未命中，则使用LRU算法替换。