cache（五）Write-through，Write-back，Write-allocate，No-write-allocate

这张图总结了缓存系统中写操作策略的不同方法，主要讨论了在**写命中（write-hit）和写未命中（write-miss）**情况下应该采取的操作策略。

1. 多个数据副本的存在

缓存系统通常有多个级别，例如 L1 缓存、L2 缓存、主存 和 硬盘，每一层可能保存相同数据的副本。如何在不同级别之间保持数据一致性，尤其是写操作时，成为了一个重要问题。

2. 写命中时的策略（What to do on a write-hit?）

当写操作命中缓存中的数据时，有两种常见策略：

• 写直达（Write-through）：

  • 写操作直接更新缓存和内存中的数据。
  • 这种方法确保缓存和主存始终保持同步，数据一致性较好。
  • 但是，因为每次写操作都需要更新内存，可能会增加写操作的开销。

• 写回（Write-back）：

  • 写操作只更新缓存中的数据，推迟对内存的更新，直到该缓存行被替换时才写回内存。
  • 这种方法减少了内存写操作的次数，提高了性能。
  • 为了跟踪缓存数据是否被修改过，需要使用脏位（dirty bit），如果脏位为1，则表示缓存行中的数据和内存中的数据不一致，待替换时需要写回内存。

3. 写未命中时的策略（What to do on a write-miss?）

当写操作未命中缓存中的数据时，有两种常见策略：

• 写分配（Write-allocate）：

  • 发生写未命中时，将数据块从内存加载到缓存，并更新缓存中的数据。
  • 适用于未来对同一位置的多次写操作，因为在首次写入后，后续的写操作可以直接命中缓存。
  • 这种策略通常与写回策略配合使用。

• 非写分配（No-write-allocate）：

  • 写未命中时，直接写入内存，不加载数据块到缓存中。
  • 适用于不会频繁写入的场景，可以避免不必要的数据加载。
  • 这种策略通常与写直达策略配合使用。

4. 常见组合（Typical）

常见的写策略组合有以下两种：

• 写直达 + 非写分配（Write-through + No-write-allocate）：

  • 这种组合在写操作时直接更新内存，但不将未命中的数据块加载到缓存中。
  • 适合少量写操作的场景，减少不必要的缓存加载。

• 写回 + 写分配（Write-back + Write-allocate）：

  • 这种组合在写操作时先更新缓存，延迟内存更新，未命中时将数据块加载到缓存。
  • 适合频繁写操作的场景，提升缓存利用率，减少内存写操作。

总结

该图解释了在缓存系统中，针对写命中和写未命中不同的处理策略。选择合适的策略组合（如写直达 + 非写分配或写回 + 写分配）可以在保证数据一致性的同时优化缓存性能。