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+# 第七章 缓存
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+> 作者：[Allen B. Downey](http://greenteapress.com/wp/)
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+> 原文：[Chapter 7  Caching](http://greenteapress.com/thinkos/html/thinkos008.html)
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+> 译者：[飞龙](https://github.com/)
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+> 协议：[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)
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+## 7.1 程序如何运行
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+为了理解缓存，你需要理解计算机如何运行程序。你应该学习计算机体系结构来深入理解这个话题。这一章中我的目标是给出一个程序执行的简单模型。
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+当程序启动时，代码（或者程序文本）通常位于硬盘上。操作系统创建新的进程来运行程序，之后“加载器”将代码从储存器复制到主存中，并且通过调用`main`来启动程序。
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+在程序运行之中，它的大部分数据都储存在主存中，但是一些数据在寄存器中，它们是CPU上的小型储存单元。这些寄存器包括：
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++ 程序计数器（PC），它含有程序下一条指令（在内存中）的地址。
++ 指令寄存器（IR），它含有当前执行的指令的机器码。
++ 栈指针（SP），它含有当前函数栈帧的指针，其中包含函数参数和局部变量。
++ 程序当前使用的存放数据的通用寄存器。
++ 状态寄存器，或者位集训器，含有当前计算的信息。例如，位寄存器通常含有移位来存储上个操作是否是零的结果。
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+在程序运行之中，CPU执行下列步骤，叫做“指令周期”：
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++ 取指（Fetch）：从内存中抓取下一条指令，储存在指令寄存器中。
++ 译码（Decode）：CPU的一部分叫做“控制单元”，将指令译码，并向CPU的其它部分发送信号。
++ 执行（Execute）：收到来自控制单元的信号后会执行合适的计算。
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+大多数计算机能够执行几百条不同的指令，叫做“指令集”。但是大多数指令可归为几个普遍的分类：
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++ 加载：将内存中的值送到寄存器。
++ 算术/逻辑：从寄存器加载操作数，执行算术运算，并将结果储存到寄存器。
++ 储存：将寄存器中的值送到内存。
++ 跳转/分支：修改程序计数器，使控制流跳到程序的另一个位置。分支通常是有条件的，也就是说它会检查位寄存器中的旗标，只在设置时跳转。
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+一些指令集，包括普遍的x86，提供加载和算术运算的混合指令。
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+在每个指令周期中，指令从程序文本处读取。另外，普通程序中几乎一半的指令都用于储存或读取数据。计算机体系结构的一个基础问题，“内存瓶颈”就在这里。
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+在当前的台式机上，CPU通常为2GHz，也就是说每0.5ns就会初始化一条新的语句。但是它用于从内存中传送数据的时间约为10ns。如果CPU需要等10ns来抓取下一条指令，再等10ns来加载数据，它可能需要40个时钟周期来完成一条指令。
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+## 7.2 缓存性能
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+这一问题的解决方案，或者至少是一部分的解决方案，就是缓存。“缓存”是CPU上小型、快速的储存空间。在当前的计算机上，储存通常为1~2MiB，访问速度为1~2ns。
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+当CPU从内存中读取数据时，它将一份副本存到缓存中。如果再次读取相同的数据，CPU就直接读取缓存，不用再等待内存了。
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+当最后缓存满了的时候，为了能让新的数据进来，我们需要将一些数据扔掉。所以如果CPU加载数据之后，过了一段时间再来读取，数据就可能不在缓存中了。
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+许多程序的性能受限于缓存的效率。如果CPU所需的数据通常在缓存中，程序可以以CPU的全速来运行。如果CPU时常需要不在缓存中的数据，程序就会受限于内存的速度。
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+缓存的“命中率”`h`，是内存访问时，在缓存中找到数据的比例。“缺失率”`m`，是内存访问时需要访问内存的比例。如果`Th`是处理缓存命中的时间，`Tm`是缓存未命中的时间，每次内存访问的平均时间是：
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+```
+h * Th + m * Tm
+```
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+同样，我们可以定义“缺失惩罚”，它是处理缓存未命中所需的额外时间，`Tp = Tm - Th`，那么平均访问时间就是：
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+```
+Th + m * Tp
+```
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+当缺失率很低时平均访问时间趋近于`Th`，也就是说，程序可以表现为内存具有缓存的速度那样。
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