缓存包含属性 - 多级缓存

Question

我无法理解多级缓存中缓存包含属性的概念。 根据我的理解，如果我们有 2 级缓存，L1 和 L2，那么 L1 的内容必须是 L2 的子集。 这意味着 L2 必须至少与 L1 一样大。 此外，当 L1 中的一个块被修改时，我们必须在 L2 和内存两个地方进行更新。 这些概念正确吗？

Answer 1

一般来说，我们可以说添加更多级别的缓存就是在内存层次结构中添加更多级别的访问。 它总是在访问时间和延迟之间进行权衡。 缓存越大，我们可以存储的越多，但需要更多的时间来搜索。 正如您所说，L2 缓存必须大于 L1 缓存。 否则它没有达到相同的基本目的。

现在来看看 L1 是否是 L2 的子集。 它并不总是必要的。 有包含缓存层次结构和独占缓存层次结构。 包括在内，正如您所说，最后一级是所有其他缓存的超集。

您可以查看此演示文稿以了解更多详细信息PPT 。

现在更新不同的级别，是一个缓存一致性问题 & 级别的数量越大，头痛就越大。 您可以在此处查看各种协议：缓存一致性

Answer 2

您对包含的 L2 缓存大于 L1 缓存是正​​确的。 但是，您关于需要在 L1 中修改的包含缓存也需要在 L2 和内存中进行修改的声明是不正确的。 您描述的系统称为“直写”缓存，其中私有缓存中的所有写入操作也会写入下一级缓存。 包含缓存层次结构并不意味着直写缓存。

大多数具有包容性层次结构的体系结构都使用“回写”缓存。 “回写”高速缓存与直写高速缓存的不同之处在于它不需要在当前级别的高速缓存中进行修改以急切地传播到下一级高速缓存（例如，L1 高速缓存中的写入没有立即写入 L2）。 相反，回写缓存仅更新当前缓存级别并使数据“脏”（描述一个缓存行，其最近的值在当前级别并且所有更高级别都具有陈旧值）。 回写将脏缓存行刷新到逐出时的下一级缓存（当需要在当前缓存中创建空间以服务冲突未命中时）

这些概念在 Baer 和 Wang 的开创性工作“关于多级缓存层次结构的包含属性”中进行了总结，ISCA 1988 paper_link 。 该论文在最初令人困惑的陈述中解释了您的困惑：

如果级别 C_(i+1) 的缓存内容是其所有子级缓存 C_i 的内容的超集，则多级缓存层次结构具有包含属性 (ML1)。” 这个定义意味着直写策略必须用于较低级别的缓存。 正如我们将在本文中假设的回写缓存，ML1 实际上是一个“空间”MLI，即提供空间用于包含但执行回写策略。