深入理解cache对写好代码至关重要

 

There are only two hard things in Computer Science: cache invalidation and naming things.

-- Phil Karlton

CACHE基础

对cache的掌握，对于Linux工程师（其他的非Linux工程师也一样）写出高效能代码，以及优化Linux系统的性能是至关重要的。简单来说，cache快，内存慢，硬盘更慢。在一个典型的现代CPU中比较接近改进的哈佛结构，cache的排布大概是这样的：

L1速度>  L2速度> L3速度> RAM

L1容量<  L2容量< L3容量< RAM

现代CPU，通常L1 cache的指令和数据是分离的。这样可以实现2条高速公路并行访问，CPU可以同时load指令和数据。当然，cache也不一定是一个core独享，现代很多CPU的典型分布是这样的，比如多个core共享一个L3。比如这台的Linux里面运行lstopo命令：

人们也常常称呼L2cache为MLC（MiddleLevel Cache）,L3cache为LLC（Last LevelCache）。这些Cache究竟有多块呢？我们来看看Intel的数据，具体配置：Intel i7-4770 (Haswell), 3.4 GHz (Turbo Boostoff), 22 nm. RAM: 32 GB (PC3-12800 cl11 cr2)

访问延迟：

数据来源：https://www.7-cpu.com/cpu/Haswell.html

由此我们可以知道，我们应该尽可能追求cache的命中率高，以避免延迟，最好是低级cache的命中率越高越好。

CACHE的组织

现代的cache基本按照这个模式来组织：SET、WAY、TAG、INDEX，这几个概念是理解Cache的关键。随便打开一个数据手册，就可以看到这样的字眼：

翻译成中文就是4路（way）组（set）相联，VIPT表现为(behave as)PIPT --这尼玛什么鬼？，cacheline的长度是64字节。

下面我们来想象一个16KB大小的cache，假设是4路组相联，cacheline的长度是64字节。Cacheline的概念比较简单，cache的整个替换是以行为单位的，一行64个字节里面读了任何一个字节，其实整个64字节就进入了cache。

比如下面两段程序，前者的计算量是后者的8倍：

但是它的执行时间，则远远不到后者的8倍：

16KB的cache是4way的话，每个set包括4*64B，则整个cache分为16KB/64B/4 = 64set，也即2的6次方。当CPU从cache里面读数据的时候，它会用地址位的BIT6-BIT11来寻址set，BIT0-BIT5是cacheline内的offset。

比如CPU访问地址

0 000000 XXXXXX

或者

1 000000 XXXXXX

或者

YYYY 000000 XXXXXX

由于它们红色的6位都相同，所以他们全部都会找到第0个set的cacheline。第0个set里面有4个way，之后硬件会用地址的高位如0,1，YYYY作为tag，去检索这4个way的tag是否与地址的高位相同，而且cacheline是否有效，如果tag匹配且cacheline有效，则cache命中。

所以地址YYYYYY000000XXXXXX全部都是找第0个set，YYYYYY000001XXXXXX全部都是找第1个set，YYYYYY111111XXXXXX全部都是找第63个set。每个set中的4个way，都有可能命中。

中间红色的位就是INDEX，前面YYYY这些位就是TAG。具体的实现可以是用虚拟地址或者物理地址的相应位做TAG或者INDEX。如果用虚拟地址做TAG，我们叫VT；如果用物理地址做TAG，我们叫PT；如果用虚拟地址做INDEX，我们叫VI；如果用物理地址做TAG，我们叫PT。工程中碰到的cache可能有这么些组合：

VIVT、VIPT、PIPT。

VIVT的硬件实现开销最低，但是软件维护成本高；PIPT的硬件实现开销最高，但是软件维护成本最低；VIPT介于二者之间，但是有些硬件是VIPT，但是behave as PIPT，这样对软件而言，维护成本与PIPT一样。

在VIVT的情况下，CPU发出的虚拟地址，不需要经过MMU的转化，直接就可以去查cache。

而在VIPT和PIPT的场景下，都涉及到虚拟地址转换为物理地址后，再去比对cache的过程。VIPT如下：

PIPT如下：

从图上看起来，VIVT的硬件实现效率很高，不需要经过MMU就可以去查cache了。不过，对软件来说，这是个灾难。因为VIVT有严重的歧义和别名问题。

歧义：一个虚拟地址先后指向两个（或者多个）物理地址

别名：两个（或者多个）虚拟地址同时指向一个物理地址

这里我们重点看别名问题。比如2个虚拟地址对应同一个物理地址，基于VIVT的逻辑，无论是INDEX还是TAG，2个虚拟地址都是可能不一样的(尽管他们的物理地址一样，但是物理地址在cache比对中完全不掺和)，这样它们完全可能在2个cacheline同时命中。

由于2个虚拟地址指向1个物理地址，这样CPU写过第一个虚拟地址后，写入cacheline1。CPU读第2个虚拟地址，读到的是过时的cacheline2，这样就出现了不一致。所以，为了避免这种情况，软件必须写完虚拟地址1后，对虚拟地址1对应的cache执行clean，对虚拟地址2对应的cache执行invalidate。

而PIPT完全没有这样的问题，因为无论多少虚拟地址对应一个物理地址，由于物理地址一样，我们是基于物理地址去寻找和比对cache的，所以不可能出现这种别名问题。

那么VIPT有没有可能出现别名呢？答案是有可能，也有可能不能。如果VI恰好对于PI，就不可能，这个时候，VIPT对软件而言就是PIPT了：

VI=PI

PT=PT

那么什么时候VI会等于PI呢？这个时候我们来回忆下虚拟地址往物理地址的转换过程，它是以页为单位的。假设一页是4K，那么地址的低12位虚拟地址和物理地址是完全一样的。回忆我们前面的地址：

YYYYY000000XXXXXX

其中红色的000000是INDEX。在我们的例子中，红色的6位和后面的XXXXXX（cache内部偏移）加起来正好12位，所以这个000000经过虚实转换后，其实还是000000的，这个时候VI=PI，VIPT没有别名问题。

我们原先假设的cache是：16KB大小的cache，假设是4路组相联，cacheline的长度是64字节，这样我们正好需要红色的6位来作为INDEX。但是如果我们把cache的大小增加为32KB，这样我们需要  32KB/4/64B=128=2^7，也即7位来做INDEX。

YYYY0000000XXXXXX

这样VI就可能不等于PI了，因为红色的最高位超过了2^12的范围，完全可能出现如下2个虚拟地址，指向同一个物理地址：

这样就出现了别名问题，我们在工程里，可能可以通过一些办法避免这种别名问题，比如软件在建立虚实转换的时候，把虚实转换往2^13而不是2^12对齐，让物理地址的低13位而不是低12位与物理地址相同，这样强行绕开别名问题，下图中，2个虚拟地址指向了同一个物理地址，但是它们的INDEX是相同的，这样VI=PI，就绕开了别名问题。这通常是PAGE COLOURING技术中的一种技巧。

如果这种PAGE COLOURING的限制对软件仍然不可接受，而我们又想享受VIPT的INDEX不需要经过MMU虚实转换的快捷？有没有什么硬件技术来解决VIPT别名问题呢？确实是存在的，现代CPU很多都是把L1 CACHE做成VIPT，但是表现地（behave as）像PIPT。这是怎么做到的呢？

这要求VIPT的cache，硬件上具备alias detection的能力。比如，硬件知道YYYY0000000XXXXXX既有可能出现在第0000000，又可能出现在1000000这2个set，然后硬件自动去比对这2个set里面是否出现映射到相同物理地址的cacheline，并从硬件上解决好别名同步，那么软件就完全不用操心了。

下面我们记住一个简单的规则：

对于VIPT，如果cache的size除以WAY数，小于等于1个page的大小，则天然VI=PI，无别名问题；

对于VIPT，如果cache的size除以WAY数，大于1个page的大小，则天然VI≠PI，有别名问题；这个时候又分成2种情况:

• 硬件不具备alias detection能力，软件需要pagecolouring；

• 硬件具备alias detection能力，软件把cache当成PIPT用。

比如cache大小64KB，4WAY，PAGE SIZE是4K，显然有别名问题；这个时候，如果cache改为16WAY，或者PAGE SIZE改为16K，不再有别名问题。为什么？感觉小学数学知识也能算得清?

CACHE的一致性

Cache的一致性有这么几个层面

1.     一个CPU的icache和dcache的同步问题

2.     多个CPU各自的cache同步问题

3.     CPU与设备（其实也可能是个异构处理器，不过在Linux运行的CPU眼里，都是设备，都是DMA）的cache同步问题

先看一下ICACHE和DCACHE同步问题。由于程序的运行而言，指令流的都流过icache，而指令中涉及到的数据流经过dcache。所以对于自修改的代码（Self-Modifying Code）而言，比如我们修改了内存p这个位置的代码（典型多见于JIT compiler），这个时候我们是通过store的方式去写的p，所以新的指令会进入dcache。但是我们接下来去执行p位置的指令的时候，icache里面可能命中的是修改之前的指令。

所以这个时候软件需要把dcache的东西clean出去，然后让icache invalidate，这个开销显然还是比较大的。

但是，比如ARM64的N1处理器，它支持硬件的icache同步，详见文档：The Arm Neoverse N1 Platform: Building Blocks for the Next-Gen Cloud-to-Edge Infrastructure SoC

特别注意画红色的几行。软件维护的成本实际很高，还涉及到icache的invalidation向所有核广播的动作。

接下来的一个问题就是多个核之间的cache同步。下面是一个简化版的处理器，CPU_A和B共享了一个L3，CPU_C和CPU_D共享了一个L3。实际的硬件架构由于涉及到NUMA，会比这个更加复杂，但是这个图反映层级关系是足够了。

比如CPU_A读了一个地址p的变量？CPU_B、C、D又读，难道B,C,D又必须从RAM里面经过L3,L2,L1再读一遍吗？这个显然是没有必要的，在硬件上，cache的snooping控制单元，可以协助直接把CPU_A的p地址cache拷贝到CPU_B、C和D的cache。

这样A-B-C-D都得到了相同的p地址的棕色小球。

假设CPU B这个时候，把棕色小球写成红色，而其他CPU里面还是棕色，这样就会不一致了：

这个时候怎么办？这里面显然需要一个协议，典型的多核cache同步协议有MESI和MOESI。MOESI相对MESI有些细微的差异，不影响对全局的理解。下面我们重点看MESI协议。

MESI协议定义了4种状态：

M（Modified）: 当前cache的内容有效，数据已被修改而且与内存中的数据不一致，数据只在当前cache里存在；类似RAM里面是棕色球，B里面是红色球（CACHE与RAM不一致），A、C、D都没有球。

E（Exclusive）：当前cache的内容有效，数据与内存中的数据一致，数据只在当前cache里存在；类似RAM里面是棕色球，B里面是棕色球（RAM和CACHE一致），A、C、D都没有球。

S（Shared）：当前cache的内容有效，数据与内存中的数据一致，数据在多个cache里存在。类似如下图，在CPU A-B-C里面cache的棕色球都与RAM一致。

I（Invalid）：   当前cache无效。前面三幅图里面cache没有球的那些都是属于这个情况。

然后它有个状态机

这个状态机比较难记，死记硬背是记不住的，也没必要记，它讲的cache原先的状态，经过一个硬件在本cache或者其他cache的读写操作后，各个cache的状态会如何变迁。所以，硬件上不仅仅是监控本CPU的cache读写行为，还会监控其他CPU的。只需要记住一点：这个状态机是为了保证多核之间cache的一致性，比如一个干净的数据，可以在多个CPU的cache share，这个没有一致性问题；但是，假设其中一个CPU写过了，比如A-B-C本来是这样：

然后B被写过了：

这样A、C的cache实际是过时的数据，这是不允许的。这个时候，硬件会自动把A、C的cache invalidate掉，不需要软件的干预，A、C其实变地相当于不命中这个球了：

这个时候，你可能会继续问，如果C要读这个球呢？它目前的状态在B里面是modified的，而且与RAM不一致，这个时候，硬件会把红球clean，然后B、C、RAM变地一致，B、C的状态都变化为S（Shared）：

这一系列的动作虽然由硬件完成，但是对软件而言不是免费的，因为它耗费了时间。如果编程的时候不注意，引起了硬件的大量cache同步行为，则程序的效率可能会急剧下降。

为了让大家直观感受到这个cache同步的开销，下面我们写一个程序，这个程序有2个线程，一个写变量，一个读变量：

这个程序里，x和y都是cacheline对齐的，这个程序的thread1的写，会不停地与thread2的读，进行cache同步。

它的执行时间为：

$ time ./a.out real  0m3.614suser  0m7.021ssys  0m0.004s

它在2个CPU上的userspace共运行了7.021秒，累计这个程序从开始到结束的对应真实世界的时间是3.614秒（就是从命令开始到命令结束的时间）。

如果我们把程序改一句话，把thread2里面的c = x改为c = y，这样2个线程在2个CPU运行的时候，读写的是不同的cacheline，就没有这个硬件的cache同步开销了：

它的运行时间：

$ time ./b.out real  0m1.820suser  0m3.606ssys  0m0.008s

现在只需要1.8秒，几乎减小了一半。

感觉前面那个a.out，双核的帮助甚至都不大。如果我们改为单核跑呢？

$ time taskset -c 0 ./a.out real  0m3.299suser  0m3.297ssys  0m0.000s

它单核跑，居然只需要3.299秒跑完，而双核跑，需要3.614s跑完。单核跑完这个程序，甚至比双核还快，有没有惊掉下巴？！！！因为单核里面没有cache同步的开销。

下一个cache同步的重大问题，就是设备与CPU之间。如果设备感知不到CPU的cache的话（下图中的红色数据流向不经过cache），这样，做DMA前后，CPU就需要进行相关的cacheclean和invalidate的动作，软件的开销会比较大。

这些软件的动作，若我们在Linux编程的时候，使用的是streaming DMA APIs的话，都会被类似这样的API自动搞定：

dma_map_single()dma_unmap_single()dma_sync_single_for_cpu()dma_sync_single_for_device()dma_sync_sg_for_cpu()dma_sync_sg_for_device()

如果是使用的dma_alloc_coherent() API呢，则设备和CPU之间的buffer是cache一致的，不需要每次DMA进行同步。对于不支持硬件cache一致性的设备而言，很可能dma_alloc_coherent()会把CPU对那段DMA buffer的访问设置为uncachable的。

这些API把底层的硬件差异封装掉了，如果硬件不支持CPU和设备的cache同步的话，延时还是比较大的。那么，对于底层硬件而言，更好的实现方式，应该仍然是硬件帮我们来搞定。比如我们需要修改总线协议，延伸红线的触角：

当设备访问RAM的时候，可以去snoop CPU的cache：

• 如果做内存到外设的DMA，则直接从CPU的cache取modified的数据；

• 如果做外设到内存的DMA，则直接把CPU的cache invalidate掉。

这样，就实现硬件意义上的cache同步。当然，硬件的cache同步，还有一些其他方法，原理上是类似的。注意，这种同步仍然不是免费的，它仍然会消耗bus cycles的。实际上，cache的同步开销还与距离相关，可以说距离越远，同步开销越大，比如下图中A、B的同步开销比A、C小。

对于一个NUMA服务器而言，跨NUMA的cache同步开销显然是要比NUMA内的同步开销大。

意识到CACHE的编程

通过上一节的代码，读者应该意识到了cache的问题不处理好，程序的运行性能会急剧下降。所以意识到cache的编程，对程序员是至关重要的。

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