高速缓存中引用和高速缓存操作的局部性

在计算机的架构中，高速缓存是提高程序性能的关键之一。在编写代码时，程序员需要考虑高速缓存中引用和高速缓存操作的局部性，以使程序的缓存命中率达到最高。本文将从以下几个方面介绍高速缓存的局部性。

空间局部性

空间局部性指的是在一段时间内，程序很可能会多次引用同一块内存区域。在高速缓存中，通常会将相邻的内存块存储在相邻的缓存行中，这样当程序需要引用相邻的内存时，就可以利用高速缓存的局部性提高缓存命中率。

例如，以下示例代码中的循环会多次引用数组 a 的相邻元素：

int a[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    a[i] = a[i] + 1;
}

为了利用空间局部性，程序员可以按照数组的顺序进行访问，或使用更高级的数据结构，例如矩阵的行优先或列优先存储方式。

时间局部性

时间局部性指的是在一段时间内，程序很可能会多次引用同一块内存区域。在高速缓存中，通常会将最近使用过的缓存行保存在高速缓存中，以便下一次引用时可以快速命中缓存。

例如，以下示例代码中的循环会多次引用数组 a 的同一元素：

int a[100];
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    a[0] = a[0] + 1;
}

为了利用时间局部性，程序员可以将循环体外的代码中引用 a[0] 的位置尽量靠近循环体中引用 a[0] 的位置，以便在循环中多次引用同一元素时能够命中高速缓存。

缓存行填充

高速缓存的缓存行通常是固定大小的，例如64字节或128字节。如果程序只需要读取缓存行中的一部分数据，则剩余的空间就浪费了。这种现象称为缓存行填充。

例如，以下示例代码中的结构体中只使用了两个成员变量，但是由于第一个成员变量占用了16个字节，整个结构体占用了32个字节，导致了缓存行填充：

struct example {
    double a;
    int b;
};
struct example s;
s.a = 1.0;
s.b = 2;

为了避免缓存行填充，程序员可以调整结构体成员的顺序，以便较小的数据类型排在前面。

计算顺序

在一些情况下，程序员可以改变计算顺序以利用局部性。例如，在以下示例代码中，如果计算 y * z 的顺序与 x 的顺序相同，则会多次引用 y 和 z：

for (int i = 0; i < N; i++) {
    x[i] = y[i] * z[i];
}

为了利用局部性，程序员可以改变计算顺序，例如将 z 的计算放在 x 的计算之前：

for (int i = 0; i < N; i++) {
    x[i] = z[i] * y[i];
}

这样可以提高缓存命中率。

结论

高速缓存中引用和高速缓存操作的局部性是程序员优化代码性能时重要的考虑因素。程序员应该尽可能地利用空间局部性和时间局部性，并避免缓存行填充。在需要改变计算顺序时，程序员可以考虑将计算移动到利用局部性的位置。