并行文件系统的特点 计算机科学基础知识(一)The Memory Hierarc(4)

（6）Remote disk（网络存储、分布式文件系统）

而决定这个分层结构的因素主要是：容量（capacity），价格（cost）和访问速度（access time）。位于金字塔顶端的CPU寄存器访问速度最快（一个clock就可以完成访问）、容量最小。金字塔底部的存储介质访问速度最慢，但是容量可以非常的大。

2、存储体系中的cache

缓存机制可以发生在存储体系的k层和k＋1层，也就是说，在k层的存储设备可以作为low level存储设备（k＋1层）的cache。例如访问main memory的时候，L2 cache可以缓存main memory的部分数据，也就是说，原来需要访问较慢的SDRAM，现在可以通过L2 cache直接命中，提高了效率。同样的道理，访问本地磁盘的时候，linux内核也会建立page cache、buffer cache等用来缓存disk上数据。

下面我们使用第三层的L2 cache和第四层的Main memory来说明一些cache的基本概念。一般而言，Cache是按照cache line组织的，当访问主存储器的时候，有可能数据或者指令位于cache line中，我们称之cache hit，这种情况下，不需要访问外部慢速的主存储器，从而加快了存储器的访问速度。也有可能数据或者指令没有位于cache line中，我们称之cache miss，这种情况下，需要从外部的主存储器加载数据或指令到cache中来。由于时间局部性（tmpporal locality）和空间局部性（spatial locality）原理，load 到cache中的数据和指令往往是最近要使用的内容，因此可以提高整体的性能。当cache miss的时候，我们需要从main memory加载cache，如果这时候cache已经满了（毕竟cache的size要小于main memory的size），这时候还要考虑替换算法。比较简单的例子是随机替换算法，也就是随机的选择一个cache line进行替换。也可以采用Least-recently used（LRU）算法，这种算法会选择最近最少使用的那个cache line来加载新的cache数据，cache line中旧的数据就会被覆盖。

cache miss有三种：

（1）在系统初始化的时候，cache中没有任何的数据，这时候，我们称这个cache是cold cache。这时候，由于cache还没有warn up导致的cache miss叫做compulsory miss或者cold miss。

（2）当加载一个cache line的时候，有两种策略，一种是从main memory加载的数据可以放在cache中的任何一个cache line。这个方案判断cache hit的开销太大，需要scan整个cache。因此，在实际中，指定的main memory的数据只能加载到cache中的一个subset中。正因此如此，就产生了另外一种cache miss叫做conflict miss。也就是说，虽然目前cache中仍然有空闲的cacheline，但是由于main memory要加载的数据映射的那个subset已经满了，这种情况导致的cache miss叫做conflict miss。

（3）对于程序的执行，有时候会在若干个指令中循环，而在这个循环中有可能不断的反复访问一个或者多个数据block（例如：一个静态定义的数组）。这些数据block就叫做这个循环过程的Working Set。当Working Set的size大于cache的size之后，就会产生capacity miss。加大cache的size是解决capacit miss的唯一方法（或者减少working set的size）。

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