緩存區數據讀寫原理

❶ 緩存是什麼意思

緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器，它先於內存與CPU交換數據，因此速率很快。

緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時，首先從CPU緩存中查找，找到就立即讀取並送給CPU處理；沒有找到，就從速率相對較慢的內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。

正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高（大多數CPU可達90%左右），也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在CPU緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數據時基本無需等待。

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緩存的狀態數據只是主數據的快照，由於數據源可能被修改，所以狀態數據就有會陳舊的特性。合理利用此特性和將數據陳舊的負面影響最小化是緩存狀態數據的一個重要任務。

緩存介質從技術上劃分，可以分成內存、硬碟文件、資料庫三種。將緩存存儲於內存中是最快的選擇，無需額外的I/O開銷，但是內存的缺點是沒有持久化落地物理磁碟，一旦應用異常，重新啟動數據很難或者無法復原。

緩存中可以存放的最大元素的數量，一旦緩存中元素數量超過這個值（或者緩存數據所佔空間超過其最大支持空間），那麼將會觸發緩存啟動清空策略根據不同的場景合理的設置最大元素值往往可以一定程度上提高緩存的命中率，從而更有效的時候緩存。

❷ CPU緩存的工作原理

CPU要讀取一個數據時，首先從Cache中查找，如果找到就立即讀取並送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入Cache中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從Cache中進行，不必再調用內存。
正是這樣的讀取機制使CPU讀取Cache的命中率非常高（大多數CPU可達90%左右），也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在Cache中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數據時基本無需等待。總的來說，CPU讀取數據的順序是先Cache後內存。 前面是把Cache作為一個整體來考慮的，下面分類分析。Intel從Pentium開始將Cache分開，通常分為一級高速緩存L1和二級高速緩存L2。在以往的觀念中，L1 Cache是集成在CPU中的，被稱為片內Cache。在L1中還分數據Cache（D-Cache）和指令Cache（I-Cache）。它們分別用來存放數據和執行這些數據的指令，而且兩個Cache可以同時被CPU訪問，減少了爭用Cache所造成的沖突，提高了處理器效能。
在P4處理器中使用了一種先進的一級指令Cache——動態跟蹤緩存。它直接和執行單元及動態跟蹤引擎相連，通過動態跟蹤引擎可以很快地找到所執行的指令，並且將指令的順序存儲在追蹤緩存里，這樣就減少了主執行循環的解碼周期，提高了處理器的運算效率。
以前的L2 Cache沒集成在CPU中，而在主板上或與CPU集成在同一塊電路板上，因此也被稱為片外Cache。但從PⅢ開始，由於工藝的提高L2 Cache被集成在CPU內核中，以相同於主頻的速度工作，結束了L2 Cache與CPU大差距分頻的歷史，使L2 Cache與L1 Cache在性能上平等，得到更高的傳輸速度。L2Cache只存儲數據，因此不分數據Cache和指令Cache。在CPU核心不變化的情況下，增加L2 Cache的容量能使性能提升，同一核心的CPU高低端之分往往也是在L2 Cache上做手腳，可見L2 Cache的重要性。CPU的L1 Cache與L2 Cache惟一區別在於讀取順序。 CPU在Cache中找到有用的數據被稱為命中，當Cache中沒有CPU所需的數據時（這時稱為未命中），CPU才訪問內存。從理論上講，在一顆擁有2級Cache的CPU中，讀取L1 Cache的命中率為80%。也就是說CPU從L1 Cache中找到的有用數據占數據總量的80%，剩下的20%從L2 Cache讀取。在一些高端領域的CPU（像Intel的Itanium）中，我們常聽到L3 Cache，它是為讀取L2 Cache後未命中的數據設計的—種Cache。
為了保證CPU訪問時有較高的命中率Cache中的內容應該按一定的演算法替換，其計數器清零過程可以把一些頻繁調用後再不需要的數據淘汰出Cache，提高Cache的利用率。緩存技術的發展
總之，在傳輸速度有較大差異的設備間都可以利用Cache作為匹配來調節差距，或者說是這些設備的傳輸通道。在顯示系統、硬碟和光碟機，以及網路通訊中，都需要使用Cache技術。但Cache均由靜態RAM組成，結構復雜，成本不菲，使用現有工藝在有限的面積內不可能做得很大，不過，這也正是技術前進的源動力，有需要才有進步！ 隨著CPU製造工藝的發展，二級緩存也能輕易的集成在CPU內核中，容量也在逐年提升。用集成在CPU內部與否來定義一、二級緩存，已不確切。而且隨著二級緩存被集成入CPU內核中，以往二級緩存與CPU大差距分頻的情況也被改變，此時其以相同於主頻的速度工作，可以為CPU提供更高的傳輸速度。同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上有差異，由此可見二級緩存對於CPU的重要性。
CPU產品中，一級緩存的容量基本在4KB到64KB之間，二級緩存的容量則分為128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一級緩存容量各產品之間相差不大，而二級緩存容量則是提高CPU性能的關鍵。二級緩存容量的提升是由CPU製造工藝所決定的，容量增大必然導致CPU內部晶體管數的增加，要在有限的CPU面積上集成更大的緩存，對製造工藝的要求也就越高。
雙核心CPU的二級緩存比較特殊，和以前的單核心CPU相比，最重要的就是兩個內核的緩存所保存的數據要保持一致，否則就會出現錯誤，為了解決這個問題不同的CPU使用了不同的辦法。