面试题答案
一键面试1. 写直达（Write-Through）策略
- 策略描述：当处理器对缓存中的数据进行写操作时，同时将数据写入主存，确保主存中的数据始终与缓存中的数据保持一致。并且在DMA设备访问主存数据时，由于主存数据实时更新，所以不会出现不一致问题。
- 优点：
- 实现简单，易于理解和维护。
- 能保证主存数据始终是最新的，对于DMA设备从主存读取数据场景，无需额外复杂操作来保证数据一致性。
- 缺点：
- 每次写操作都要访问主存，主存访问速度相对缓存较慢，会导致写操作性能较低。
- 大量写操作会增加系统总线的通信量，可能造成总线带宽瓶颈。
2. 写回（Write-Back）策略
- 策略描述：处理器对缓存中的数据进行写操作时，只在缓存中标记该数据已被修改，并不立即写入主存。只有当缓存行被替换时，才将修改后的数据写回主存。对于DMA设备访问主存，操作系统需要在DMA传输前检查相关缓存行是否被修改，若已修改则先将其写回主存。
- 优点：
- 写操作性能高，因为大部分写操作只需在缓存中完成，减少了对主存的频繁访问。
- 降低了系统总线的通信量，只有在缓存行替换时才与主存进行数据交互。
- 缺点：
- 实现相对复杂，需要额外的标志位（如脏位）来标记缓存行是否被修改。
- 存在数据一致性风险，在缓存行未写回主存时，如果DMA设备访问主存，可能获取到旧数据，需要操作系统进行额外的缓存管理和同步操作。
3. 基于目录的缓存一致性协议
- 策略描述：系统维护一个全局的目录，目录中记录了每个缓存块的状态（如是否被修改、哪些处理器缓存中存在该块等信息）。当处理器进行读写操作或DMA设备访问主存时，通过查询目录来协调缓存一致性。例如，当一个处理器要写缓存块时，先查询目录，若其他处理器也缓存了该块，则向这些处理器发送无效化消息，使它们的缓存块失效。
- 优点：
- 可扩展性强，适用于大规模多核系统和多个DMA设备的复杂环境。
- 能有效减少广播通信量，通过目录的精准信息，只向相关处理器发送一致性控制消息。
- 缺点：
- 目录本身的维护开销大，需要占用大量系统资源来存储目录信息，并且目录的更新操作也较复杂。
- 存在目录访问瓶颈问题，所有缓存一致性操作都依赖目录查询和更新，可能导致目录成为系统性能瓶颈。
4. 监听协议（Snooping Protocol）
- 策略描述：每个缓存控制器都监听系统总线上的通信。当处理器进行读写操作时，操作信息会在总线上广播，其他缓存控制器通过监听总线来判断自己缓存中的数据是否受到影响。例如，如果监听到其他处理器写操作涉及自己缓存中的数据块，则将自己缓存中的该数据块标记为无效或更新。对于DMA设备，也可将其访问主存的操作广播到总线上，让各缓存控制器处理。
- 优点：
- 实现相对简单，不需要复杂的全局目录结构。
- 对于小规模多核系统性能较好，因为广播机制在系统规模较小时能快速传播一致性信息。
- 缺点：
- 扩展性差，随着核数和DMA设备增多，总线广播通信量剧增，会严重影响系统性能，导致总线带宽成为瓶颈。
- 总线故障时，缓存一致性机制可能失效，因为依赖总线进行监听。