起源

在每個指令周期中，CPU至少會訪問內存一次，來抓取下一條執行的指令，而且經常會附帶著更多次的訪問，來獲取操作數，以及存儲結果。而CPU執行指令的速度就因此大大受限于對內存的訪問速度，而且隨著CPU的速度提高大大快于內存的訪問速度提高，這個問題會越來越嚴重。理論上來說，我們可以制造一種存取速度與CPU寄存器相同的內存，但那樣的話內存就會相當昂貴，所以為了解決這個問題，就需要利用短時間內指令的聚合特性來設計一個在CPU和主存之間工作的緩存。

緩存工作原理

緩存持有主存的一部分拷貝，當處理器試圖訪問內存中的一個地址時，會首先判斷該地址中的內容是不是已經在緩存中了，如果是的話，則數據直接從緩存傳送到處理器中，不是不是的話，則首先將該指令以及該指令附近的數據讀取到緩存中，然后再從緩存中讀取數據到處理器中。

緩存設計

1.緩存大小
合理的緩存大小可以大大加快cpu訪問數據的速度
2.緩存單次數據交換大小
起初隨著緩存單次交換數據增長，緩存命中率會增加，因為更多目標數據附近的數據被加載到了緩存中，但是隨著緩存單次交換數據繼續增長，性能反而會下降，這是因為此時將過多的數據從內存中加載到緩存中，這個數據交換花費了過多時間，而緩存命中率并不會繼續顯著的增加。
3.緩存替換算法
緩存替換算法是當一塊新的內存數據被加載到緩存中時，來確定將哪部分緩存中已經存在的數據交換回去，好的緩存替換算法會維持緩存的一個高命中率，但是算法本身也會耗費時間，所以需要權衡。

數據局部性

數據局部性原理是緩存能大幅度提高性能的原理
數據局部性在以下四個方面中起作用
1.除了占整個程序小部分的跳轉指令(調用函數)，以及條件分支，大部分程序都是線性執行，這代表在大部分情況下，當前要執行的下一條指令就在當前指令的后面。
2.許多循環指令都是在短時間內執行大量的重復指令，這些指令都聚集在相對接近的地址段中。
3.在許多程序的運算中，都會處理線性數據結構，如數組，以及C語言中的結構體，這些數據結構item的地址都是連續的

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總結

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