Hi，我是CPU一号工廠中的房間的阿Q，還記得我嗎，真是好久不見了～
我所在的CPU是一個八核CPU，就有八個工作工廠中的房間，那運作起來速度杠杆的～
一大早，我們一号工廠中的房間MMU（記憶體管理單元）部門的小黑就來到上司辦公室，恰好我也在。
“上司，聽說您同意了阿Q他們的方案，給每個工廠中的房間都劃撥了緩存建設預算？”
“你這小子，消息還挺靈通的。沒錯，記憶體那家夥實在太慢了，加了緩存後，不用每次都從記憶體讀取資料，能讓咱們的性能提升不少”，上司說到。
“那我們MMU部門也要申請一筆經費”，小黑說到。
上司眉頭一緊，問道：“你們要申請經費幹什麼？”
“我們也要建設緩存”
“你們MMU部門做位址翻譯工作，要緩存做什麼，怕不是看上司給我們撥了款，眼紅了吧？”，我在一旁說到。
小黑轉過身來，看着我說道：“說我眼紅，我倒是問你，你知道虛拟位址翻譯的過程嗎？”
這可難不倒我，以前就沒少聽他說過，“怎麼不知道？以32位的虛拟位址為例，一個32位的虛拟位址分為三部分，分别是頁目錄索引、頁表索引、頁内偏移。翻譯的時候，從CR3寄存器中取出頁目錄位址，根據頁目錄索引找到頁表，再根據頁表索引找到實體記憶體頁面，最後根據頁内偏移，完成尋址。我說的對吧？”
“嘿，你小子不錯啊，記性挺好”，小黑有點不敢相信，随後又問到：“既然你知道，那我再問你，這讀取一次資料，需要通路幾次記憶體？”
我思考了一下，開始算了起來。從頁目錄表中讀取一次，從頁表中再讀取一次，最後通路頁面内資料再讀取一次，總共就是三次。
“需要通路三次記憶體！”，我回答到。
小黑點了點頭說道：“沒錯，你知道的，記憶體那家夥本來就慢，這每讀寫一個資料，都要通路記憶體三次，這誰頂得住啊？”
說的是啊，記憶體那家夥慢我是知道的，但讀寫一次就要折騰三回，我倒是沒想過。
“就這還是32位位址的情況，我還沒算64位下變成了4級頁表呢，那通路記憶體的次數就更多了！”
“好在咱們馬上就要建設緩存設施了，也不用每次都從記憶體讀取資料，要是緩存能找到，就不用讀取記憶體了嘛！”
“可是查頁目錄和頁表還是得要兩次啊”，小黑說到。
“要是能把位址翻譯的結果也緩存起來就好，就不用每次都從記憶體查了”，我陷入了思考。
“你看，你跟我想到一會兒去了，是以我才向上司申請，咱們MMU部門也加上緩存，這樣位址翻譯變快了，咱們整個工廠中的房間工作效率才高嘛！”
這時，上司站了起來，說道：“唉～格局要打開，光你們一号工廠中的房間提高不行，得發動全廠八個工廠中的房間一起。小黑，經費的問題不用擔心，這事由你牽頭，把其他幾個工廠中的房間的MMU部門負責人召集起來開個會，把你說的方案落地下去”
“沒問題！”，上司這麼一說，小黑高興壞了。
回去的路上，我又忍不住好奇，向小黑打聽起來：“你們這翻譯位址用的緩存，準備怎麼個弄法？”
“我還沒想的很成熟，隻有個大概的方案”
“快給我透露一下”
“好吧，告訴你也無妨！我舉個例子吧，假設要翻譯的虛拟位址是<code>0x12345678</code>，這是一個32位的位址，前面的20位是<code>0x12345000</code>，經過兩次查表後，定位到真實的實體頁面<code>0x00abc000</code>，最後再加上頁内偏移，翻譯結果就是<code>0x00abc678</code>”
“位址翻譯完成後，将虛拟頁編号<code>0x12345</code>和實體頁編号<code>0x00abc</code>的映射關系記錄起來放到緩存中”
“在進行位址翻譯的時候，先去這個緩存裡瞅一瞅，看看有沒有記錄過，如果有就直接用之前記錄的，找不到再去記憶體頁表中找。跟局部性原理類似，翻譯過的位址，在接下來一段時間内再次用到的可能性很大，是以這個緩存是很有必要的！”，小黑非常自信的說到。
“聽上去很不錯，期待早點上馬啊！”
過了幾天，我打算去MMU部門轉轉，想看看他們的緩存搞的咋樣了。
一進門，隻見小黑和其他幾個工廠中的房間的MMU部門負責人正在緊張的讨論着，一旁的畫闆上畫了不少條條框框的圖。
“小黑老哥，你們這是在做什麼呢？”
“我們正在研究這個翻譯記錄緩存項的存儲方式呢！你來的正好，我們讨論了半天也沒什麼好的思路，快來幫我出出主意”
我有些好奇，問道：“什麼問題把你們都難倒了？”
“就是虛拟位址翻譯的結果，我們不知道怎麼存了！”
“這有什麼好糾結的，緩存空間就那麼大，一個翻譯結果就是一條記錄，一條一條的存呗”
二号工廠中的房間MMU負責人連連揮手，“沒你想的這麼簡單，按照你這種存法，那在翻譯位址的時候，怎麼查找？難道要全部掃描一遍？”
我愣了一下，“啊這，我倒是沒想這麼多···不過緩存空間也不大，存不了太多翻譯結果，全部掃描也還好吧？”
“那可不行，咱們CPU的目标就是要把性能優化到極緻，這種方案上了，上司還不得罵死我”，小黑說到。
我想了想，“有了，給虛拟頁編号取模，每個虛拟頁的翻譯記錄隻能存在緩存中固定的位置，這樣不用全部掃描，一次就能定位，是不是很贊？”
小黑搖了搖頭：“這個方案我們剛才也讨論過了，緩存空間有限，會導緻大量的虛拟頁取模後映射到同一個存儲位置，就會經常沖突，也不是個好辦法！”
“看來還真有點麻煩啊”，我也不自覺的皺起了眉頭，陷入了思考之中。
“可不是嘛，是以我們才頭疼啊”
空氣突然安靜，所有人都在低頭沉思。
“哎，有了！”，一個念頭在我腦中閃現。
“什麼辦法？快說說看”
“分組連接配接！”
“分組連接配接？”，衆人問到。
“沒錯！把前面這兩種方案結合一下。可以把緩存存儲空間劃分很多個組，全部周遊太慢，直接取模映射又容易沖突，那如果映射的結果不是一個固定的位置，而是一個分組呢？”
“聽上去不錯唉，這樣既降低了沖突，周遊也隻需在分組區間裡進行了，工作量大大降低了，真是個好辦法”
小黑和大家都一緻同意了我的想法。
“那怎麼分組呢，多少項為一組呢？”，有人問到。
“嗯，這個我也說不好，得做實驗驗證，2、4、8、16都可以試試，實踐出真知嘛！”
“好，沒問題，咱們下來測試下”
“我還有一個問題，你們的這個緩存項什麼時候更新呢？咱們在保護模式下，不同的程序中，同一個虛拟頁翻譯後對應的實體頁面可是不同的，你們可不要用了錯誤的緩存，那可就出大亂子了！”
“嗨，這還用你說，在場的各位幹這份工作時間都不短了，這一點我們比你更清楚。程序切換的時候，會把新程序的頁目錄表基位址寫到CR3寄存器中，那時候我們就會把緩存中的資料全部清掉啦！”，小黑胸有成竹的說到。
“也不用全部清掉吧，像有些核心頁面，是所有程序共享的，就可以保留啊”
小黑點了點頭，“有道理，看來得給位址翻譯記錄增加一個标記，用來标記是不是全局有效”
一個月後，八個工廠中的房間MMU部門的緩存全部建設完成，當天便投入使用，咱們這個CPU的運作效率一下突飛猛進，這緩存的威力可真是太大了。
為了跟我們的一二級緩存相區分，小黑還給他們的位址翻譯緩存取了一個響亮的名字：TLB——翻譯後備緩沖區。
【完】
主機闆上這家夥，要當CPU和記憶體的中間商！
主機闆上來了一個新鄰居，CPU慌了！
CPU明明8個核，網卡為啥拼命折騰一号核？