局部性原理及性能分析

朱雀 2022-12-16 13:17 204阅读 0赞

# 本文主要介绍缓存的局部性原理以及性能分析 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 局部性原理 ##

*  空间局部性：在最近的未来，要使用的信息（指令和数据），很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的或者是连续的
 *  时间局部性：在最近的未来，要使用的信息，很可能是现在正在使用的信息  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

> 上图是假设CPU从主存的存取数据的时间是1000ns，而CPU内部执行加法运算只需要5ns，那么可以得出图示的执行时间就是(取数据时间+存数据时间+加法运算时间)\*次数= (1000+1000+5)\*1000 = 2005us  
> 如果引入高速缓存的来当作媒介，即 在主存和CPU中间加入了高速缓存cache，那么CPU与cache之间的存取时间也是5ns，以每次从主存中拿10个int值到cache中为例，则需要的总时间=(向主存中取数据时间+向cache取数据+加法时间+向cache存数据时间)\*次数=(1000+5+5+5)\*10 = 115us，由此可以看出性能提高了一个数量级  
> 在实际的操作中与评估中，计算机不可能只进行类似的简单的运算，因此引入了下面的洗呢性能分析模型

## 性能分析 ##

### 相关概念 ###

*  命中率：CPU要访问的信息已经在cache中的比例。设一个程序执行期间，cache的总命中次数为Nc，访问主存的总次数是Nm，则H=Nc/Nc  
    \+Nm
 *  缺失率：M = 1-H
 *  平均访问时间：设tc为命中cache的访问时间，tm为未命中时的访问时间，则系统的平均访问时间=命中率*访问cache时间+缺失率*访问主存时间，即：Ta = Htc\+Mtm  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

### 下面是一个性能分析的例题 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/9dd1c2f37ee14a5887f7d53607df4bb2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221123/e21d00990f824fa9ae8cb04b0b63dcd2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221123/0440857060c14bba8a797685bfa93bbd.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbGtfamF2YQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221123/9efe06b8d8af4c7eafe19fa9b69b0a13.png