cache替换策略
cache的lru 算法和plru算法
cache的lru 算法和plru算法LRU（Least Recently Used）算法和PLRU（Pseudo-Least Recently Used）算法是常用于缓存系统中的两种替换策略。
缓存是计算机系统中的重要组成部分，它用于临时存储常用数据，以提高系统的性能和响应速度。
LRU算法和PLRU算法能够有效地管理缓存中的数据，优化缓存的使用和替换，从而提高系统的效率。
LRU算法是一种基于时间局部性原理的替换策略。
它的基本思想是，当需要替换缓存中的数据时，选择最近最少使用的数据进行替换。
具体实现方式是通过维护一个访问时间的队列，每当数据被访问时，将其移动到队列的末尾。
当缓存满时，将队列头部的数据替换出去。
这样，最近最少使用的数据就会被优先替换，从而保证了缓存中的数据都是被频繁访问的。
然而，LRU算法的实现需要维护一个访问时间队列，当缓存的大小较大时，这个队列会占用较大的内存空间。
为了解决这个问题，PLRU算法应运而生。
PLRU算法是一种基于二叉树的替换策略，它通过使用多个位来表示缓存中数据的访问情况。
具体来说，PLRU 算法将缓存中的数据按照二叉树的形式组织起来，每个节点代表一个数据块。
当需要替换数据时，PLRU算法会根据节点的位状态来确定替换的路径，最终找到最久未被访问的数据进行替换。
相比于LRU算法，PLRU算法的优势在于它不需要维护一个访问时间队列，从而减少了内存开销。
而且，PLRU算法的查询和更新操作都可以在O(1)的时间复杂度内完成，具有较高的效率。
然而，PLRU算法的实现相对复杂，需要使用位运算等技术，对硬件的要求较高。
在实际应用中，选择LRU算法还是PLRU算法需要根据具体的场景和需求来决定。
如果缓存的大小较小，内存开销不是主要问题，那么可以选择LRU算法。
而如果缓存的大小较大，对内存的消耗比较敏感，那么可以选择PLRU算法。
另外，还可以根据实际情况结合两种算法的优点，设计出更加高效的替换策略。
cache相关概念及工作原理介绍
cache相关概念及工作原理介绍【原创版】目录一、Cache 的概念二、Cache 的作用三、Cache 的工作原理四、Cache 的类型与结构五、Cache 的应用场景正文一、Cache 的概念Cache，即高速缓存，是一种存储技术，它位于主存与 CPU 之间，作用是提高 CPU 访问存储器的速度。
Cache 可以看作是主存的一个高速副本，它将主存中频繁访问的数据复制到自身，当 CPU 需要再次访问这些数据时，可以直接从Cache 中获取，从而减少了 CPU 与主存之间的访问延迟。
二、Cache 的作用Cache 的主要作用是提高 CPU 的运行效率。
随着 CPU 处理速度的提升，主存的访问速度逐渐成为系统性能的瓶颈。
通过使用 Cache，可以减少 CPU 等待主存读写完成的时间，从而提高 CPU 的执行效率。
三、Cache 的工作原理Cache 的工作原理主要包括两个方面：一是缓存策略，即如何判断哪些数据需要被缓存；二是替换策略，即当 Cache 空间不足时，如何选择淘汰哪些缓存数据。
1.缓存策略缓存策略主要根据程序的访问模式来判断。
一般来说，缓存策略可以分为以下三种：- 时域局部性（Temporal Locality）：程序在一段时间内多次访问相同的数据。
这种局部性可以通过缓存来提高访问速度。
- 空间局部性（Spatial Locality）：程序在访问一个数据时，很可能还会访问其附近的数据。
这种局部性可以通过缓存来提高访问速度。
- 随机访问（Random Access）：程序访问的数据与缓存中存储的数据无关，这种访问模式无法通过缓存来提高访问速度。
2.替换策略当 Cache 空间不足时，需要选择一些缓存数据进行替换。
替换策略主要有以下几种：- 最近最少使用（Least Recently Used，LRU）：选择最近最少使用的数据进行替换。
- 时间戳（Timestamp）：记录每个数据在 Cache 中的时间，选择最早进入Cache 的数据进行替换。
Cache替换策略与写操作策略
Cache的替换策略
例： 访问顺序号：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
访问主存块地址：1 2 4 1 3 7 0 1 2 5 4 6 4 7 2
0
10 2 31
42 5 63
块 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 41 4 4 4 4
分
配
4 4 4 4 04 0 0 50 5 5 5 5 5
• 常见的写操作策略有两种： 1、全写法、写直达法（Write Through） 2、回写法、写回法（Write B法、写直达法（Write Through）：命中时，不仅写Cache， 也同时写入主存。使主存与Cache相关块内容始终保持一致。
优点：主存与Cache始终同步。 缺点：当CPU向主存写操作时， Cache无高速缓冲功能，降低了
Cache的写操作策略
2、回写法、写回法（Write Back）：命中需要将信息 写入主存时，暂时只写入 Cache，并不写入主存， Cache中的这个块作一个标记，只有当该块内容需要从 Cache中替换出来时，再一次性写入主存。
优点:减少对主存的写操作次数, 工作速度较快. 缺点:存在Cache与主存数据不一致的隐患.
Cache的功效。
Cache的写操作策略
2、回写法、写回法（Write Back）：Cache命中需要将信息写入主存 时，暂时只写入 Cache，并不写入主存，Cache中的这个块作一个 标记，只有当该块内容需要从Cache中替换出来时，再一次性写入 主存。
优点：减少对主存的写操作次数, 工作速度较快。 缺点：存在Cache与主存数据不一致的隐患。
情
2 2 2 2 72 7 7 7 7 7 67 6 6 26
cache替换策略lfu算法例题
cache替换策略lfu算法例题
LFU（Least Frequently Used）算法是一种常用的缓存替换策略，它根据数据项被访问的频率来决定替换哪些数据项。
下面我将通过一个例题来解释LFU算法的工作原理。
假设我们有一个缓存，它的大小为3，初始状态为空。
现在有一系列的访问请求如下：
1. 访问A.
2. 访问B.
3. 访问A.
4. 访问C.
5. 访问B.
6. 访问D.
现在我们来按照LFU算法来逐步处理这些访问请求。
1. 访问A，缓存为空，将A加入缓存。
当前缓存状态为A(1)。
2. 访问B，将B加入缓存。
当前缓存状态为A(1), B(1)。
3. 访问A，更新A的访问频率，当前缓存状态为A(2), B(1)。
4. 访问C，将C加入缓存，当前缓存状态为A(2), B(1), C(1)。
5. 访问B，更新B的访问频率，当前缓存状态为A(2), B(2),
C(1)。
6. 访问D，缓存已满，需要替换一个数据项。
根据LFU算法，
C的访问频率最低，因此将C替换为D，当前缓存状态为A(2),
B(2), D(1)。
通过以上例题，我们可以看到LFU算法是根据数据项的访问频
率来进行替换的。
当缓存空间不足时，LFU算法会选择访问频率最
低的数据项进行替换，以期望保留那些被频繁访问的数据项。
这样
可以更有效地利用缓存空间，提高缓存命中率。
总的来说，LFU算法是一种比较高效的缓存替换策略，它能够根据数据项的访问频率来进行智能替换，从而更好地满足实际的缓存需求。
cache的基本原理
cache的基本原理缓存（cache）是一种用于存储临时数据的高速存储器，通常位于计算机的内部或接近CPU。
它具有快速的读写速度和较小的容量，以提高系统的性能和响应速度。
缓存的基本原理是利用数据的局部性原理，将最常用的数据复制到高速存储器中，使CPU能够更快地访问这些数据，从而减少对慢速外部存储器的访问次数。
缓存的基本原理可以分为三个层面：局部性原理、缓存一致性原理和替换策略。
1.局部性原理：局部性原理是缓存能够有效工作的基础。
程序在执行时的数据访问往往表现出两种局部性：时间局部性和空间局部性。
时间局部性指的是一旦程序访问了某个数据，它在短时间内很可能再次被访问到；空间局部性指的是一旦程序访问了某个数据，它附近的数据也很可能会被访问。
缓存利用了时间局部性特征，将最近被CPU访问的数据复制到缓存中，以便下次CPU再次访问相同数据时可以直接从缓存中读取，避免了从主存中读取数据的延迟。
同时，缓存还利用了空间局部性特征，在CPU访问一个数据时，将它所在的数据块一并复制到缓存中，预先加载相邻的数据，提高数据的连续性访问。
2.缓存一致性原理：缓存一致性原理是指在多级缓存系统中，各级缓存之间需要保持数据的一致性。
多级缓存系统中，数据可能被同时存储在多个级别的缓存中，当CPU修改了一个数据时，需要保证这个修改操作对其他缓存可见。
缓存一致性通过使用一致性协议来实现。
常见的一致性协议有：MESI协议（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）和MOESI协议（Modified、Owned、Exclusive、Shared、Invalid）。
这些协议通过处理缓存之间的通信和同步，确保数据的一致性，避免了数据的冲突和错误。
3.替换策略：由于缓存容量有限，当缓存已满时，需要替换掉一个缓存行（Cache Line）来给新的数据腾出位置。
替换策略是决定哪个缓存行被替换的规则。
常见的替换策略有：随机替换、先进先出替换（FIFO）、最近最久未使用替换（LRU）等。
cache工作原理
cache工作原理1. 引言Cache是计算机系统中的一种高速缓存存储器，用于提高数据访问速度。
它位于主存和处理器之间，通过存储最常用的数据和指令，减少对主存的访问次数，从而加快程序的执行速度。
本文将详细介绍Cache的工作原理，包括Cache的层次结构、替换策略、写策略和一致性。
2. Cache的层次结构Cache通常分为多个层次，每个层次的容量和速度不同。
常见的层次结构包括L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。
L1 Cache位于处理器内部，容量较小但速度非常快，用于存储最常用的数据和指令。
L2 Cache位于处理器和主存之间，容量较大但速度较慢，用于存储次常用的数据和指令。
L3 Cache位于处理器和主存之间，容量更大但速度更慢，用于存储较少使用的数据和指令。
3. Cache的替换策略当Cache已满时，如果需要存储新的数据，就需要替换掉已有的数据。
常见的替换策略有最近最少使用（LRU）、最不经常使用（LFU）和随机替换（Random）。
LRU策略替换掉最长时间未被使用的数据，LFU策略替换掉使用频率最低的数据，随机替换策略随机选择一个数据进行替换。
选择适合的替换策略可以提高Cache的命中率，减少对主存的访问次数。
4. Cache的写策略Cache的写策略决定了何时将数据写回主存。
常见的写策略有写回（Write Back）和写直达（Write Through）。
写回策略在Cache被替换时才将数据写回主存，而写直达策略在每次更新Cache时都将数据写回主存。
写回策略可以减少对主存的写操作次数，提高系统性能，但可能会导致数据不一致的问题。
写直达策略可以保证数据一致性，但会增加对主存的访问延迟。
5. Cache的一致性由于Cache的存在，可能导致多个处理器同时访问同一块主存数据时出现数据不一致的问题。
为了解决这个问题，需要采用一致性协议，常见的有MESI协议。
MESI协议通过维护每个Cache行的状态（修改、独占、共享、无效）来保证数据的一致性。
cache中主存块的替换算法
在计算机科学中，缓存（cache）是内存层级中存储数据的临时存储区域，这些区域可以在处理器更快地获取数据和指令。
缓存的主要目的是减少处理器访问主存的次数，从而提高计算机的性能。
主存块的替换算法主要有以下几种：
1. **最近最少使用（LRU）算法**：这是最常见的缓存替换策略之一。
当新的数据块进入缓存时，如果缓存已满，那么最长时间未被使用的数据块会被替换出去。
2. **先进先出（FIFO）算法**：这是一种简单的替换策略，当新的数据块进入缓存时，如果缓存已满，那么最早进入缓存的数据块会被替换出去。
3. **随机替换算法**：在这种算法中，选择一个在缓存中随机选择的数据块进行替换。
4. **二路最近最少使用（2-way LRU）算法**：这是LRU算法的改进版，将缓存分为两半，每一半都可以进行替换。
当新的数据块进入缓存时，如果缓存已满，那么在两个部分中都最少使用的数据块会被替换出去。
5. **时钟算法**：在这种算法中，缓存中的每个数据块都关联一个“时钟”，这个时钟指向下一个将被替换的数据块。
当新的数据块进入缓存时，如果缓存已满，那么“时钟”指向的数据块会被替换出去。
6. **最少使用（LFU）算法**：在这种算法中，跟踪每个数据块的
频率（使用次数）。
当新的数据块进入缓存时，如果缓存已满，那么频率最低的数据块会被替换出去。
这些算法各有优缺点，具体使用哪种算法取决于具体的应用需求和系统的设计目标。
高级Cache替换策略研究
3. VWay Cache
全相连cache有2个好处：最小化miss冲突和可以使用全局的替换策略。miss的冲突程度 与cache的组相连程度成反比。全局的替换策略允许全相连cache选择最佳的替换块，而这仅 限于替换算法的智能。但是，对全相连cache的访问是线性扫描，需要大量的tag比较，导致 访问延时和性能下降。
1.2 算法描述
如果A算法的miss率大于B算法的miss率，并且如果当前B miss并且被选择移除的 块在adapt.cahe中时，adpat.cahe就移除与B中相同的那个块。否则的话，adapt.cache 移除任意不在B中的一块。当B算法的miss率大于A算法的miss率时，和上面的操作相 同。
传统的LRU替换策略将新的访问插入在MRU的位置上，使得其有被命中的机会。LIP策 略是将预取的Cache line放置在LRU位置，以避免由不精确的预取所产生的污染。但是由于 LIP没有年龄机制，LIP策略会导致部分不再被引用的line处于non-LRU的位置上，并且不会 变更给定应用程序的工作集的sets
首先，我们用 … 表示对地址 … 依次进行N次循环访问。假定有这样一个模型：
用 … 紧接着 … 访问一个全相连的cache。cache的空间为K(K<T)。假定BIP中的
参数 很小，并且两个访问序列的重复次数
并且N K⁄ 。下表比较了各种策略的hit
情况
我们看到，在循环引用模型中，由于工作集大于cache的大小，从而导致LRU的完全miss， LIP策略可以保证较好的hit，但是对于全新的访问序列由于其不能将替换插入到MRU位置， 所以导致新的完全miss。BIP由于可以部分得插入到MRU中，所以对于新的访问序列仍能有 较高的hit率。
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嵌入式处理器的低开销的缓存替换算法
我们提出一个新的一级(L1)数据缓存置换算法-----PRR（Protected Round-Robin）保护的轮询调度算法，很简单,被纳入嵌入式处理器。
嵌入式应用的能量局限性使他只能用比较简单的缓存置换算法。
循环调度（Round Robin Scheduling）算法就是以循环的方式依次将请求调度不同的服务器，即每次调度执行i = (i + 1) mod n，并选出第i台服务器。
算法的优点是其简洁性，它无需记录当前所有连接的状态，所以它是一种无状态调度。
为了简化与RAM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。
从程序设计的角度讲，高速缓存其实就是一组称之为缓存行(cache line)的固定大小的数据块，其大小是以突发读或者突发写周期的大小为基础的。
每个高速缓存行完全是在一个突发读操作周期中进行填充或者下载的。
即使处理器只存取一个字节的存储器，高速缓存控制器也启动整个存取器访问周期并请求整个数据块。
缓存行第一个字节的地址总是突发周期尺寸的倍数。
缓存行的起始位置总是与突发周期的开头保
持一致。
每一个缓存行都有一个保护位，用来指示该行下次是不是被替换，初始的时候所有的保护位都是关闭的，当该行被访问时，保护位打开。
有一个专门指向cache块的指针，指针用来指向下一个要被替换的块，只有当未命中发生的时候，这个指针才会发生变化，当未命中发生时，这个指针指向的块要被替换。
假如这个块是受保护的，则它的保护位将被关闭。
而且指针指向下一个要被替换的块，这个过程一直持续到发现一个未受保护的块为止。
当新的缓存块进入缓存，其保护位是打开的，但指针不递增，即此时指针仍然指向新的缓存块。
这意味着，下一个未命中发生时，其保护将关闭。
这只提供了一个新的高速缓存行一个周期的保护。
让我们更详细地看一下这个。
当新的缓存块进入，保护位打开，而指针递增时，他将会被保护两个循环周期。
当新的缓存块进入，保护位关闭，而指针递增时，他也会被保护两个周期。
有选择性缓存的分段的LRU缓存替换机制
:567 算法在567 的基础上进行分段，每段的大小是可变的，每段均采用567 算法，可利用多条运动链来实现。
分段的个数B 一旦确定就被固定了，并且个数越多，:567 算法就越精确，但实现起来就越复杂。
每段拥有一个权值，用来标识该段中用户记录的活跃程度，权值越高，则表明该段中用户记录的活跃程度越高。
沿用587 的做法，为每个用户记录分别设置一个访问次数计数器。
每当某个用户记录被访问后，对应的访问次数计数器自动加$，同时调整用户记录在该段中所处的位置（移到该段对应的运动链的链首），以体现567 算法。
如果计数器的值超过一个规定的门限值，该用户记录就要被移到下一个具有更高权值的段中，以表明该用户记录在过去时间内的活跃程度已经达到一个更高的级别。
当活跃用户记录到达最高权值段的时候，不管访问计数器的值是否超过门限值，用户记录都不能再往上提升。
按照前面的做法，在经历一段时间之后，就有可能出现低权值段上的用户记录很少，而绝大多数用户记录却拥挤在高权值段上的情况，这几乎退回到没有进行分段的567 算法的状态。
为了防止这种情况的出现，同时能够及时精确地反映用户记录的活跃程度，需要对各段的权值定时进行调整。
具体的做法是将两个最低权值段的用户记录合并到一个段中，把腾出来的那个段的权值设为最高，其它段的权值分别降一个等级，这样既活跃了用户记录，又可以向更高权值段迁移。
这里把这个调整过程称为段的定时调整过程。
有选择性机制的分段的LRU
该机制基于他们的访问历史，选择要被绕过的指令。
绕过死亡块可以提高性能，死亡块是指那些在被访问之前就被替换出去的块。