cache之读写一致性（一）

cache根据写操作后是否要直接同步到内存，可分为write back（稍后同步）和write through（立刻同步）。write through的方式虽然享受不到写cache带来的性能优势，但是还是可以享受读cache的好处的，而且其（和内存的）一致性维护也更简单，适用场景包括视频输出等。

而write back可以减少不必要的内存写入，减轻总线竞争。现在大部分应用场景下，cache多采用write back的方式，本文以下的讨论都基于write back且只有一个level的cache。

cache一致性（coherency）

cache为维护一致性的操作可分为flush和invalidate。

当CPU更改了某条cache line中的数据，则该cache line中的数据比对应内存中的数据新，此时需要将这条cache line标记为modified，以便在必要时候（cache满了，该cache line需要被释放，把位子腾出来给新的cache line）将cache line中的内容flush到内存来同步。

在使用DMA的时候，外设（比如网卡）过来的数据会不经过CPU直接传送到内存，这时内存中的数据就比对应cache中的数据要新，需要使无效（invalidate）相关的cache line（标记为dirty），这样CPU下次读取这条cache line里的数据的时候，才能知道这些数据不是最新的，得从内存更新。其实某条cache line被invalidate之后就没有利用价值了，等同于不存在，相当于被清空了，所以也可以算是一种flush。

cache读写

首先，需要系统的cache是enable的状态（在x86中由CR0寄存器的CD位控制），并且要读写的地址所在内存区域的属性是cachable的，CPU才会首先尝试去cache中读写。

d-cache（data cache）和i-cache（instruction cache）都是可读的，读操作可分为三种情况：

1. 地址对应的cache line不存在，也就是cache miss，需要从外部内存读取，然后填充到对应cache line（这一过程被称为cache line fill）。
2. 地址对应的cache line存在但被标记位了invalidate，处理方法同1是一样的。
3. 地址对应的cache line存在，也就是cache hit（read hit），这种情况最简单了，直接读cache line就可以。

i-cache是只读的，只有d-cache是可写的（这也是为什么cache要划分成i-cache和d-cache的原因），写操作也可分为三种情况：：

1. 地址对应的cache line不存在，可以和读操作一样采用cache line fill（这一过程被称为write allocate），再改写该cache line的内容，然后标记为modified状态（intel的P6 family处理器采用），也可以直接写外部内存（intel的Pentium处理器采用）。
2. 地址对应的cache line存在但被标记位了invalidate，同1是一样的。
3. 地址对应的cache line存在，即write hit，和read hit略有不同的是，写完后需要将该cache line标记为modified。

相关指令

cache一致性的维护由硬件CPU自动完成，同时处理器也会提供一些指令，以支持软件对cache的操作。以x86为例，有四条指令可以对cache进行invalidate/flush.

1. 全部invaliate/flush

• WBINVD, 即write back invalidate的缩写，具体操作是先将cache中标记为modified的内容全部write back到外部内存，再清空整个cache。
• INVD, 相比WBINVD少了个write back的操作，所以没法保证数据一致性，这条指令只在cache和外部内存不需要保持一致的情况下使用（如某些测试环境）。

2. 部分invalidate/flush

CLFLUSH/CLFLUSHOPT，即cache line flush的缩写，可针对某些cache lines单独操作，适用于该cache line对应的内存区域之后不会再被访问（access）到的情况。