Linux内核中的CPU缓存机理及三级缓存结构

"浅谈Linux内核之CPU缓存" CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时数据交换器，它的容量比内存小的多，但是交换速度却比内存要快得多。CPU缓存一般直接跟CPU芯片集成或位于主板总线互连的独立芯片上。为了简化与内存之间的通信，高速缓存控制器是针对数据块，而不是字节进行操作的。 在了解CPU缓存之前，我们需要了解CPU和内存之间的关系。CPU是计算机的大脑，它负责执行程序的指令，而内存负责存数据，包括程序自身的数据。在很多年前，CPU的频率与内存总线的频率在同一层面上。内存的访问速度仅比寄存器慢一些。但是，这一局面在上世纪90年代被打破了。CPU的频率大大提升，但内存总线的频率与内存芯片的性能却没有得到成比例的提升。并不是因为造不出更快的内存，只是因为太贵了。内存如果要达到目前CPU那样的速度，那么它的造价恐怕要贵上好几个数量级。 因此，CPU的运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长的时间等待数据的到来或把数据写入到内存中。为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，就出现了CPU缓存。 CPU缓存的概念可以分为三级缓存：L1、L2、L3。L1缓存是最接近CPU的，它容量最小（例如：32K），速度最快，每个核上都有一个L1缓存，L1缓存每个核上其实有两个L1缓存，一个用于存数据的L1dCache（DataCache），一个用于存指令的L1iCache（InstructionCache）。L2缓存更大一些（例如：256K），速度要慢一些，一般情况下每个核上都有一个独立的L2缓存。L3缓存是所有核共享的，它的容量最大（例如： several MB），速度最慢。 CPU缓存的意义在于满足以下两种局部性原理：时间局部性（TemporalLocality）和空间局部性（SpatialLocality）。时间局部性是指如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。空间局部性是指如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。 CPU缓存是Linux内核中非常重要的一部分，它可以大大提高CPU的运算速度和响应时间。