CSDN|如何写出让 CPU 跑得更快的代码？( 二 )

你可以在你的 Linux 系统，用下面这种方式来查看 CPU 的 Cache Line ，你可以看我服务器的 L1 Cache Line 大小是 64 字节，也就意味着 L1 Cache 一次载入数据的大小是 64 字节。

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比如，有一个int array[100]的数组，当载入array[0]时，由于这个数组元素的大小在内存只占 4 字节，不足 64 字节， CPU 就会顺序加载数组元素到array[15] ，意味着 array[0]~array[15] 数组元素都会被缓存在 CPU Cache 中了，因此当下次访问这些数组元素时，会直接从 CPU Cache 读取，而不用再从内存中读取，大大提高了 CPU 读取数据的性能。
事实上， CPU 读取数据的时候，无论数据是否存放到 Cache 中， CPU 都是先访问 Cache ，只有当 Cache 中找不到数据时，才会去访问内存，并把内存中的数据读入到 Cache 中， CPU 再从 CPU Cache 读取数据。

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这样的访问机制，跟我们使用「内存作为硬盘的缓存」的逻辑是一样的，如果内存有缓存的数据，则直接返回，否则要访问龟速一般的硬盘。
那 CPU 怎么知道要访问的内存数据，是否在 Cache 里？如果在的话，如何找到 Cache 对应的数据呢？我们从最简单、基础的直接映射 Cache（Direct Mapped Cache）说起，来看看整个 CPU Cache 的数据结构和访问逻辑。
前面，我们提到 CPU 访问内存数据时，是一小块一小块数据读取的，具体这一小块数据的大小，取决于 coherency_line_size 的值，一般 64 字节。在内存中，这一块的数据我们称为内存块（Bock），读取的时候我们要拿到数据所在内存块的地址。
对于直接映射 Cache 采用的策略，就是把内存块的地址始终「映射」在一个 CPU Line（缓存块）的地址，至于映射关系实现方式，则是使用「取模运算」，取模运算的结果就是内存块地址对应的 CPU Line（缓存块）的地址。
举个例子，内存共被划分为 32 个内存块， CPU Cache 共有 8 个 CPU Line ，假设 CPU 想要访问第 15 号内存块，如果 15 号内存块中的数据已经缓存在 CPU Line 中的话，则是一定映射在 7 号 CPU Line 中，因为 15 % 8 的值是 7 。
机智的你肯定发现了，使用取模方式映射的话，就会出现多个内存块对应同一个 CPU Line ，比如上面的例子，除了 15 号内存块是映射在 7 号 CPU Line 中，还有 7 号、23 号、31 号内存块都是映射到 7 号 CPU Line 中。

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因此，为了区别不同的内存块，在对应的 CPU Line 中我们还会存储一个组标记（Tag）。这个组标记会记录当前 CPU Line 中存储的数据对应的内存块，我们可以用这个组标记来区分不同的内存块。除了组标记信息外， CPU Line 还有两个信息：

一个是，从内存加载过来的实际存放数据（Data）。
另一个是，有效位（Valid bit），它是用来标记对应的 CPU Line 中的数据是否是有效的，如果有效位是 0 ，无论 CPU Line 中是否有数据， CPU 都会直接访问内存，重新加载数据。

CPU 在从 CPU Cache 读取数据的时候，并不是读取 CPU Line 中的整个数据块，而是读取 CPU 所需要的一个数据片段，这样的数据统称为一个字（Word）。那怎么在对应的 CPU Line 中数据块中找到所需的字呢？答案是，需要一个偏移量（Offset）。因此，一个内存的访问地址，包括组标记、CPU Line 索引、偏移量这三种信息，于是 CPU 就能通过这些信息，在 CPU Cache 中找到缓存的数据。而对于 CPU Cache 里的数据结构，则是由索引 + 有效位 + 组标记 + 数据块组成。