在缓存 C++ 中查找命中/未命中

Question

我正在努力解决我的硬件问题。它要求读取一个跟踪文件，其中每一行都有引用类型和十六进制地址。例如，文件中的第一行地址为 0x4ef1200231，指令类型。它还要求检查缓存中的这个地址是命中还是未命中（在 L1 和 L2 中）。我不太确定如何编写 c++（我很新）来检查它是成功还是失败。

我正在想象有一个函数，比如地址（long int），然后如果我调用地址（0x4ef1200231），那么控制台可以告诉我这个地址在 L1 是命中还是未命中，以及是否未命中，然后调用另一个函数来检查 L2 的这个地址。这是不是太天真了？请帮忙。谢谢。

---跟踪中的几行---
4ef1200231 整数
2ff1e0122234 写
82039ef9a3 R

注释：Int 表示指令，WR 表示数据写入，R 表示数据读取。问题是在阅读了整个跟踪文件之后，总共有多少次命中和未命中。谢谢。

Answer 1

这个问题对于 C++ 初学者来说可能太高级了，但这里有一些关于如何实现解决方案的解释......

首先，您需要有一个容器来模仿每一级缓存所使用的逻辑：最简单（并且可能足够）的容器是最近最少使用 (LRU) 数据结构。这样做是记录一个固定的最大数量的缓存中元素，当一个元素被访问时，它会在列表中搜索它：如果找到它，它会被移动到列表的顶部/前面，替换第一个和后续的列表元素直到它留下的空隙再次被填满。如果它不在列表中，那么它也会添加到顶部，所有其他元素向下移动以腾出空间，如果列表达到最大大小，则删除最后一个元素。为了很好地实现 LRU，您需要能够通过值快速查找元素，同时在列表中快速插入和删除元素。最好将unordered_map 和list 结合使用，但仅此一项的实现就超出了作为C++ 初学者的合理预期。您可以从仅使用列表开始 - 搜索会很慢（O(n) 或线性/蛮力），但您可以使其正常工作。

给定这样一个 LRU 类，您可以设置两个实例的大小来表示 L1 和 L2 缓存中的页面，然后对于输入文件中的每个地址，您查找该页面（例如，对于 4k 页面，您可以将其除以 4096 , 或按位 - 并且它与 4095 的按位否定，或按位 - 或它与 4095，或将其右移 12 次等）在 L1 中，必要时回退到 L2。 “它是否已经在缓存中”代码可以保持命中/未命中计数器。

这里有一些示例代码可以帮助您入门：

template <typename T>
class Dumb_LRU
{
    Dumb_LRU(size_t max_size) : n_(max_size) { }
    bool operator()(const T& t)
    {
        std::list<T>::iterator i = std::find(l_.begin(), l_.end(), t);
        if (i == l_.end())
        {
            l_.push_front(t);
            if (l_.size() > n_)
                l_.pop_back();
            return false;
        }
        if (i != l_.begin()) // not already the first element...
        {
            l_.erase(i);
            l_.push_front(t);
        }
        return true;
    }
  private:
    std::list<T> l_;
    size_t n_;
};

然后您可以像这样进行模拟：

static const size_t l1_cache_pages = 256;
static const size_t l2_cache_pages = 2048;
static const size_t page_size = 4096;

Dumb_LRU<size_t> l1(l1_cache_pages);
Dumb_LRU<size_t> l2(l2_cache_pages);

size_t address;
std::string doing_what;
int l1_hits = 0, l1_misses = 0, l2_hits = 0, l2_misses = 0;
while (std::cin >> address >> doing_what)
{
    if (l1(address / page_size))
        ++l1_hits;
    else
    {
        ++l1_misses;
        if (l2(address / page_size))
            ++l2_hits;
        else
            ++l2_misses;
}
// ...print out hits/misses...