6.4.5 有关写的问题

正如我们看到的，高速缓存关于读的操作非常简单。首先，在高速缓存中查找所需字 w 的副本。如果命中，立即返回字 w 给 CPU。如果不命中，从存储器层次结构中较低层中取出包含字 w 的块，将这个块存储到某个高速缓存行中（可能会驱逐一个有效的行），然后返回字 w。

写的情况就要复杂一些了。假设我们要写一个已经缓存了的字 w（写命中，write hit）。在高速缓存更新了它的 w 的副本之后，怎么更新 w 在层次结构中紧接着低一层中的副本呢？最简单的方法，称为直写（write-through），就是立即将 w 的高速缓存块写回到紧接着的低一层中。虽然简单，但是直写的缺点是每次写都会引起总线流量。另一种方法，称为写回（write-back），尽可能地推迟更新，只有当替换算法要驱逐这个更新过的块时，才把它写到紧接着的低一层中。由于局部性，写回能显著地减少总线流量，但是它的缺点是增加了复杂性。高速缓存必须为每个高速缓存行维护一个额外的修改位（dirty bit），表明这个高速缓存块是否被修改过。

另一个问题是如何处理写不命中。一种方法，称为写分配（write-allocate），加载相应的低一层中的块到高速缓存中，然后更新这个高速缓存块。写分配试图利用写的空间局部性，但是缺点是每次不命中都会导致一个块从低一层传送到高速缓存。另一种方法，称为非写分配（not-write-allocate），避开高速缓存，直接把这个字写到低一层中。直写高速缓存通常是非写分配的。写回高速缓存通常是写分配的。

为写操作优化高速缓存是一个细致而困难的问题，在此我们只略讲皮毛。细节随系统的不同而不同，而且通常是私有的，文档记录不详细。对于试图编写高速缓存比较友好的程序的程序员来说，我们建议在心里采用一个使用写回和写分配的高速缓存的模型。这样建议有几个原因。通常，由于较长的传送时间，存储器层次结构中较低层的缓存更可能使用写回，而不是直写。例如，虚拟内存系统（用主存作为存储在磁盘上的块的缓存）只使用写回。但是由于逻辑电路密度的提高，写回的高复杂性也越来越不成为阻碍了，我们在现代系统的所有层次上都能看到写回缓存。所以这种假设符合当前的趋势。假设使用写回写分配方法的另一个原因是，它与处理读的方式相对称，因为写回写分配试图利用局部性。因此，我们可以在高层次上开发我们的程序，展示良好的空间和时间局部性，而不是试图为某一个存储器系统进行优化。