转——每个程序员都应该了解的内存知识 第2节: CPU的高速缓存

House

House 发表于 2019-4-10 17:01

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再来看图3.25，它来自同一颗处理器，只是运行双线程，每个线程分别运行在处理器的一个超线程上。 图3.25: P4开启两个超线程时的带宽表现 图3.25采用了与图3.24相同的刻度，以方便比较两者的差异。图3.25中的曲线抖动更多，是由于采用双线程的缘故。结果正如我们预期，由于超线程共享着几乎所有资源(仅除寄存器外)，所以每个超线程只能得到一半的缓存和带宽。所以，即使每个线程都要花上许多时间等待内存，从而把执行时间让给另一个线程，也是无济于事——因为另一个线程也同样需要等待。这里恰恰展示了使用超线程时可能出现的最坏情况。 4 i& ~  T1 I" I% n  V: y图3.26: Core 2的带宽表现 . p( x, m" V1 d再来看Core 2处理器的情况。看看图3.26和图3.27，再对比下P4的图3.24和3.25，可以看出不小的差异。Core 2是一颗双核处理器，有着共享的L2，容量是P4 L2的4倍。但更大的L2只能解释写操作的性能下降出现较晚的现象。   当然还有更大的不同。可以看到，读操作的性能在整个工作集范围内一直稳定在16字节/周期左右，在220处的下降同样是由于DTLB的耗尽引起。能够达到这么高的数字，不但表明处理器能够预取数据，并且按时完成传输，而且还意味着，预取的数据是被装入L1d的。 , p5 w' l, F  r3 D : F2 u- v  E+ N6 {+ F9 ^+ u写/复制操作的性能与P4相比，也有很大差异。处理器没有采用写通策略，写入的数据留在L1d中，只在必要时才逐出。这使得写操作的速度可以逼近16字节/周期。一旦工作集超过L1d，性能即飞速下降。由于Core 2读操作的性能非常好，所以两者的差值显得特别大。当工作集超过L2时，两者的差值甚至超过20倍！但这并不表示Core 2的性能不好，相反，Core 2永远都比Netburst强。   C9 p, G# p) S/ \4 e" b' G! `& x, j ) ]1 [( _# s$ }) {6 c% ? 图3.27: Core 2运行双线程时的带宽表现 2 G# H% m, i3 C6 I& {在图3.27中，启动双线程，各自运行在Core 2的一个核心上。它们访问相同的内存，但不需要完美同步。从结果上看，读操作的性能与单线程并无区别，只是多了一些多线程情况下常见的抖动。 4 U8 F; l0 Y: t: `8 G& s) i' i7 F 有趣的地方来了——当工作集小于L1d时，写操作与复制操作的性能很差，就好像数据需要从内存读取一样。两个线程彼此竞争着同一个内存位置，于是不得不频频发送RFO消息。问题的根源在于，虽然两个核心共享着L2，但无法以L2的速度处理RFO请求。而当工作集超过L1d后，性能出现了迅猛提升。这是因为，由于L1d容量不足，于是将被修改的条目刷新到共享的L2。由于L1d的未命中可以由L2满足，只有那些尚未刷新的数据才需要RFO，所以出现了这样的现象。这也是这些工作集情况下速度下降一半的原因。这种渐进式的行为也与我们期待的一致: 由于每个核心共享着同一条FSB，每个核心只能得到一半的FSB带宽，因此对于较大的工作集来说，每个线程的性能大致相当于单线程时的一半。 : A2 s; Z# }. v4 [* y: X* c由于同一个厂商的不同处理器之间都存在着巨大差异，我们没有理由不去研究一下其它厂商处理器的性能。图3.28展示了AMD家族10h Opteron处理器的性能。这颗处理器有64kB的L1d、512kB的L2和2MB的L3，其中L3缓存由所有核心所共享。 4 m; e& t& k* g 5 _& r8 K8 B+ ~' v2 A" W 图3.28: AMD家族10h Opteron的带宽表现 8 M7 O8 i& t+ ]; c+ m; z! P大家首先应该会注意到，在L1d缓存足够的情况下，这个处理器每个周期能处理两条指令。读操作的性能超过了32字节/周期，写操作也达到了18.7字节/周期。但是，不久，读操作的曲线就急速下降，跌到2.3字节/周期，非常差。处理器在这个测试中并没有预取数据，或者说，没有有效地预取数据。 另一方面，写操作的曲线随几级缓存的容量而流转。在L1d阶段达到最高性能，随后在L2阶段下降到6字节/周期，在L3阶段进一步下降到2.8字节/周期，最后，在工作集超过L3后，降到0.5字节/周期。它在L1d阶段超过了Core 2，在L2阶段基本相当(Core 2的L2更大一些)，在L3及主存阶段比Core 2慢。   复制的性能既无法超越读操作的性能，也无法超越写操作的性能。因此，它的曲线先是被读性能压制，随后又被写性能压制。 . F& ^7 R1 S( O" D. j图3.29显示的是Opteron处理器在多线程时的性能表现。 + p. L: k+ `4 T/ f  \& w 6 ?( R' ]% |' e9 m8 q图3.29: AMD Fam 10h在双线程时的带宽表现 4 w1 V: N+ r* W2 C 读操作的性能没有受到很大的影响。每个线程的L1d和L2表现与单线程下相仿，L3的预取也依然表现不佳。两个线程并没有过渡争抢L3。问题比较大的是写操作的性能。两个线程共享的所有数据都需要经过L3，而这种共享看起来却效率很差。即使是在L3足够容纳整个工作集的情况下，所需要的开销仍然远高于L3的访问时间。再来看图3.27，可以发现，在一定的工作集范围内，Core 2处理器能以共享的L2缓存的速度进行处理。而Opteron处理器只能在很小的一个范围内实现相似的性能，而且，它仅仅只能达到L3的速度，无法与Core 2的L2相比。

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House 发表于 2019-4-10 17:02

3.5.2 关键字加载   内存以比缓存线还小的块从主存储器向缓存传送。如今64位可一次性传送，缓存线的大小为64或128比特。这意味着每个缓存线需要8或16次传送。   DRAM芯片可以以触发模式传送这些64位的块。这使得不需要内存控制器的进一步指令和可能伴随的延迟，就可以将缓存线充满。如果处理器预取了缓存，这有可能是最好的操作方式。 如果程序在访问数据或指令缓存时没有命中(这可能是强制性未命中或容量性未命中，前者是由于数据第一次被使用，后者是由于容量限制而将缓存线逐出)，情况就不一样了。程序需要的并不总是缓存线中的第一个字，而数据块的到达是有先后顺序的，即使是在突发模式和双倍传输率下，也会有明显的时间差，一半在4个CPU周期以上。举例来说，如果程序需要缓存线中的第8个字，那么在首字抵达后它还需要额外等待30个周期以上。 当然，这样的等待并不是必需的。事实上，内存控制器可以按不同顺序去请求缓存线中的字。当处理器告诉它，程序需要缓存中具体某个字，即「关键字(critical word)」时，内存控制器就会先请求这个字。一旦请求的字抵达，虽然缓存线的剩余部分还在传输中，缓存的状态还没有达成一致，但程序已经可以继续运行。这种技术叫做关键字优先及较早重启(Critical Word First & Early Restart)。 , `) c7 W) ?* g  t3 q: ?: w0 @现在的处理器都已经实现了这一技术，但有时无法运用。比如，预取操作的时候，并不知道哪个是关键字。如果在预取的中途请求某条缓存线，处理器只能等待，并不能更改请求的顺序。 0 I' K* L" T- P图3.30: 关键字位于缓存线尾时的表现 在关键字优先技术生效的情况下，关键字的位置也会影响结果。图3.30展示了下一个测试的结果，图中表示的是关键字分别在线首和线尾时的性能对比情况。元素大小为64字节，等于缓存线的长度。图中的噪声比较多，但仍然可以看出，当工作集超过L2后，关键字处于线尾情况下的性能要比线首情况下低0.7%左右。而顺序访问时受到的影响更大一些。这与我们前面提到的预取下条线时可能遇到的问题是相符的。

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House 发表于 2019-4-10 17:03

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3.5.3 缓存设定   缓存放置的位置与超线程，内核和处理器之间的关系，不在程序员的控制范围之内。但是程序员可以决定线程执行的位置，接着高速缓存与使用的CPU的关系将变得非常重要。   这里我们将不会深入（探讨）什么时候选择什么样的内核以运行线程的细节。我们仅仅描述了在设置关联线程的时候，程序员需要考虑的系统结构的细节。 : N9 n- R* H. C5 h& t8 `5 _; F * m0 ]/ t% K( Z; B6 x2 r超线程，通过定义，共享除去寄存器集以外的所有数据。包括 L1 缓存。这里没有什么可以多说的。多核处理器的独立核心带来了一些乐趣。每个核心都至少拥有自己的 L1 缓存。除此之外，下面列出了一些不同的特性： / R6 M9 [- {. X$ F2 H4 j1 X 早期多核心处理器有独立的 L2 缓存且没有更高层级的缓存。 之后英特尔的双核心处理器模型拥有共享的L2 缓存。对四核处理器，则分对拥有独立的L2 缓存，且没有更高层级的缓存。 AMD 家族的 10h 处理器有独立的 L2 缓存以及一个统一的L3 缓存。 * ?/ W" f# t/ j( S: [关于各种处理器模型的优点，已经在它们各自的宣传手册里写得够多了。在每个核心的工作集互不重叠的情况下，独立的L2拥有一定的优势，单线程的程序可以表现优良。考虑到目前实际环境中仍然存在大量类似的情况，这种方法的表现并不会太差。不过，不管怎样，我们总会遇到工作集重叠的情况。如果每个缓存都保存着某些通用运行库的常用部分，那么很显然是一种浪费。   如果像Intel的双核处理器那样，共享除L1外的所有缓存，则会有一个很大的优点。如果两个核心的工作集重叠的部分较多，那么综合起来的可用缓存容量会变大，从而允许容纳更大的工作集而不导致性能的下降。如果两者的工作集并不重叠，那么则是由Intel的高级智能缓存管理(Advanced Smart Cache management)发挥功用，防止其中一个核心垄断整个缓存。 : G' J- u6 i* C8 o# i 6 J; O7 S1 U1 u! g) o即使每个核心只使用一半的缓存，也会有一些摩擦。缓存需要不断衡量每个核心的用量，在进行逐出操作时可能会作出一些比较差的决定。我们来看另一个测试程序的结果。 图3.31: 两个进程的带宽表现 3 f, N4 M- ?; Q1 M4 h, D ) K# A$ R& I; i1 i3 d# L这次，测试程序两个进程，第一个进程不断用SSE指令读/写2MB的内存数据块，选择2MB，是因为它正好是Core 2处理器L2缓存的一半，第二个进程则是读/写大小变化的内存区域，我们把这两个进程分别固定在处理器的两个核心上。图中显示的是每个周期读/写的字节数，共有4条曲线，分别表示不同的读写搭配情况。例如，标记为读/写(read/write)的曲线代表的是后台进程进行写操作(固定2MB工作集)，而被测量进程进行读操作(工作集从小到大)。 " U. s; N. r+ s图中最有趣的是220到223之间的部分。如果两个核心的L2是完全独立的，那么所有4种情况下的性能下降均应发生在221到222之间，也就是L2缓存耗尽的时候。但从图上来看，实际情况并不是这样，特别是背景进程进行写操作时尤为明显。当工作集达到1MB(220)时，性能即出现恶化，两个进程并没有共享内存，因此并不会产生RFO消息。所以，完全是缓存逐出操作引起的问题。目前这种智能的缓存处理机制有一个问题，每个核心能实际用到的缓存更接近1MB，而不是理论上的2MB。如果未来的处理器仍然保留这种多核共享缓存模式的话，我们唯有希望厂商会把这个问题解决掉。 / b' i' a' w0 j/ G推出拥有双L2缓存的4核处理器仅仅只是一种临时措施，是开发更高级缓存之前的替代方案。与独立插槽及双核处理器相比，这种设计并没有带来多少性能提升。两个核心是通过同一条总线(被外界看作FSB)进行通信，并没有什么特别快的数据交换通道。   未来，针对多核处理器的缓存将会包含更多层次。AMD的10h家族是一个开始，至于会不会有更低级共享缓存的出现，还需要我们拭目以待。我们有必要引入更多级别的缓存，因为频繁使用的高速缓存不可能被许多核心共用，否则会对性能造成很大的影响。我们也需要更大的高关联性缓存，它们的数量、容量和关联性都应该随着共享核心数的增长而增长。巨大的L3和适度的L2应该是一种比较合理的选择。L3虽然速度较慢，但也较少使用。 , I5 d$ @, K1 X  对于程序员来说，不同的缓存设计就意味着调度决策时的复杂性。为了达到最高的性能，我们必须掌握工作负载的情况，必须了解机器架构的细节。好在我们在判断机器架构时还是有一些支援力量的，我们会在后面的章节介绍这些接口。

House

House 发表于 2019-4-10 17:03

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3.5.4 FSB的影响   FSB在性能中扮演了核心角色。缓存数据的存取速度受制于内存通道的速度。我们做一个测试，在两台机器上分别跑同一个程序，这两台机器除了内存模块的速度有所差异，其它完全相同。图3.32展示了Addnext0测试(将下一个元素的pad[0]加到当前元素的pad[0]上)在这两台机器上的结果(NPAD=7，64位机器)。两台机器都采用Core 2处理器，一台使用667MHz的DDR2内存，另一台使用800MHz的DDR2内存(比前一台增长20%)。 * U, c1 [8 T6 A* W8 g/ B 图3.32: FSB速度的影响 / a1 R' P; }. F 图上的数字表明，当工作集大到对FSB造成压力的程度时，高速FSB确实会带来巨大的优势。在我们的测试中，性能的提升达到了18.5%，接近理论上的极限。而当工作集比较小，可以完全纳入缓存时，FSB的作用并不大。当然，这里我们只测试了一个程序的情况，在实际环境中，系统往往运行多个进程，工作集是很容易超过缓存容量的。 & I! h% j$ ]7 X5 ]) }: X2 _ ! n: z5 Q8 H! U; B如今，一些英特尔的处理器，支持前端总线(FSB)的速度高达1,333 MHz，这意味着速度有另外60％的提升。将来还会出现更高的速度。速度是很重要的，工作集会更大，快速的RAM和高FSB速度的内存肯定是值得投资的。我们必须小心使用它，因为即使处理器可以支持更高的前端总线速度，但是主板的北桥芯片可能不会。使用时，检查它的规范是至关重要的。

* C. @! m2 I# d8 V

gaoxings

学习了