CSAPP 之 CacheLab 详解

前言

本篇博客将会介绍 CSAPP 之 CacheLab 的解题过程，分为 Part A 和 Part B 两个部分，其中 Part A 要求使用代码模拟一个高速缓存存储器，Part B 要求优化矩阵的转置运算。

解题过程

Part A

题目要求

Part A 给出了一些后缀名为 trace 的文件，文件中的内容如下图所示，其中每一行代表一次对缓存的操作，格式为 [空格] 操作 地址,数据大小，其中操作的类型有以下几种：

• I：取指令操作
• L：读数据操作
• S：写数据操作
• M：修改数据操作，比如先读一次数据再写一次数据

只有 I 操作没有带前置空格，其他操作都有一个前置空格。地址为 64 位，数据大小以字节为单位。

Part A 要求实现的缓存存储器的行为和 csim-ref 一致，使用 LRU 算法进行替换操作。CSAPP 中指出高速缓存存储器可以用四元组 \((S, E, B,m)\) 来描述，其中 \(S=2^s\) 为组数，\(E\) 为行数，\(B=2^b\) 为块的大小，\(m\) 为地址的位数，具体结构如下图所示：

对于模拟的高速缓存，至少需要接受 4 个参数：

• -s：组索引的位数
• -E：行数
• -b：块大小 \(B=2^b\) 中的 \(b\)
• -t：trace 文件的路径

根据给定的 trace 文件，模拟的高速缓存 csim 需要给出命中次数、未命中次数和替换次数，只有和 csim-ref 的次数一样才能拿到分数。

代码

我们首先定义一个结构，用来代表高速缓存中的行，由于题目没要求存储数据，所以结构中并没有包含代表缓存块的数组，同时题目要求使用 LRU 替换算法，所以包含一个 time 代表与上次访问相隔多久：

typedef struct {
    int valid;
    int tag;
    int time;
} CacheLine, *CacheSet, **Cache;

接着完成入口函数，进行命令行参数解析和模拟工作：

#include <assert.h>
#include <getopt.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "cachelab.h"

int hit, miss, evict;

int s, S, E, b;
char filePath[100];

Cache cache;

int main(int argc, char* argv[]) {
    int opt;
    while ((opt = getopt(argc, argv, "s:E:b:t:")) != -1) {
        switch (opt) {
            case 's':
                s = atoi(optarg);
                S = 1 << s;
                break;
            case 'E':
                E = atoi(optarg);
                break;
            case 'b':
                b = atoi(optarg);
                break;
            case 't':
                strcpy(filePath, optarg);
                break;
        }
    }

    mallocCache();
    simulate();
    freeCache();

    printSummary(hit, miss, evict);
    return 0;
}

由于 \(s\)、\(E\) 和 \(b\) 会变，所以需要使用 malloc 函数来在堆上分配空间，使用结束之后还得将这部分空间释放掉：

/* 动态分配缓存空间 */
void mallocCache() {
    cache = (Cache)malloc(S * sizeof(CacheSet));
    assert(cache);

    for (int i = 0; i < S; ++i) {
        cache[i] = (CacheSet)malloc(E * sizeof(CacheLine));
        assert(cache[i]);
    }
}

/* 释放缓存空间 */
void freeCache() {
    for (int i = 0; i < S; ++i) {
        free(cache[i]);
    }
    free(cache);
}

根据 trace 文件进行模拟的函数如下所示，其中 I 和 S 只需访问缓存一次，而 M 需要两次，且每进行一次操作，就得更新一次时间戳：

/* 模拟缓存读写操作*/
void simulate() {
    FILE* file = fopen(filePath, "r");
    assert(file);

    char op;
    uint64_t address;
    int size;
    while (fscanf(file, " %c %lx,%d", &op, &address, &size) > 0) {
        switch (op) {
            case 'M':
                accessCache(address);
            case 'L':
            case 'S':
                accessCache(address);
                break;
        }
        lruUpdate();
    }

    fclose(file);
}

/* 更新访问时间 */
void lruUpdate() {
    for (int i = 0; i < S; ++i) {
        for (int j = 0; j < E; ++j) {
            if (cache[i][j].valid) {
                cache[i][j].time++;
            }
        }
    }
}

访问缓存的代码如下所示，首先根据组索引选出组，接着行匹配，只有有效位为 1 且 tag 与地址中的 \(t\) 位标记相同才说明缓冲击中，不然就是未击中。在未击中的情况下，需要将数据写入空行中，如果没有空行就要运行 LRU 算法进行替换。

/* 访问缓存 */
void accessCache(uint64_t address) {
    int tag = address >> (b + s);
    uint64_t mask = ((1ULL << 63) - 1) >> (63 - s);
    CacheSet cacheSet = cache[(address >> b) & mask];

    // 缓存击中
    for (int i = 0; i < E; ++i) {
        if (cacheSet[i].valid && cacheSet[i].tag == tag) {
            hit++;
            cacheSet[i].time = 0;
            return;
        }
    }

    miss++;

    // 有空位，直接写入
    for (int i = 0; i < E; ++i) {
        if (!cacheSet[i].valid) {
            cacheSet[i].valid = 1;
            cacheSet[i].tag = tag;
            cacheSet[i].time = 0;
            return;
        }
    }

    // 没有空位，只能使用 LRU 算法进行替换
    evict++;
    int evictIndex = 0;
    int maxTime = 0;
    for (int i = 0; i < E; ++i) {
        if (cacheSet[i].time > maxTime) {
            maxTime = cacheSet[i].time;
            evictIndex = i;
        }
    }

    cacheSet[evictIndex].tag = tag;
    cacheSet[evictIndex].time = 0;
}

最终运行结果如下，发现模拟结果和参考答案一致：

Part B

Part B 给出了最原始的转置操作代码：

void trans(int M, int N, int A[N][M], int B[M][N]) {
    int i, j, tmp;

    for (i = 0; i < N; i++) {
        for (j = 0; j < M; j++) {
            tmp = A[i][j];
            B[j][i] = tmp;
        }
    }
}

题目要求针对 \(32\times 32\)、\(64\times 64\) 和 \(61\times 67\) 这三种维度的矩阵进行优化，同时给出了以下两点友情提示：

• 使用分块技术进行优化
• 对角线上的元素会引发冲突未击中

由于高速缓存的 \(S=2^s=32\)、\(E=1\)、\(B=2^b=32\)，且矩阵中的元素为 int 类型，缓存的每行可以装入 8 个整数，所以对于 \(32\times 32\) 的矩阵，分块大小取为 8，代码如下所示：

for (int i = 0; i < N; i += 8)
    for (int j = 0; j < M; j += 8)
        for (int ii = i; ii < i + 8; ++ii)
            for (int jj=j; jj < j + 8; ++jj)
                B[jj][ii] = A[ii][jj];

测试效果如下图所示，发现未命中次数为 343 次，而满分要求未命中小于 300 次：

根据友情提示，我们应该避免对角线上元素原地转置引发的冲突未命中问题，所以使用循环展开直接访问行中的 8 个元素并赋值给 \(B\)，将代码修改如下：

int a, b, c, d, e, f, g, h;
for (int i = 0; i < N; i += 8) {
    for (int j = 0; j < M; j += 8) {
        for (int ii = i; ii < i + 8; ++ii) {
            a = A[ii][j];
            b = A[ii][j + 1];
            c = A[ii][j + 2];
            d = A[ii][j + 3];
            e = A[ii][j + 4];
            f = A[ii][j + 5];
            g = A[ii][j + 6];
            h = A[ii][j + 7];

            B[j][ii] = a;
            B[j + 1][ii] = b;
            B[j + 2][ii] = c;
            B[j + 3][ii] = d;
            B[j + 4][ii] = e;
            B[j + 5][ii] = f;
            B[j + 6][ii] = g;
            B[j + 7][ii] = h;
        }
    }
}

再次测试，未命中次数为 287 次：

对于 \(64\times 64\) 大小的矩阵，如果同样使用 \(8\times 8\) 的分块，会发现命中次数和未分块情况下一模一样，为 4723 次左右。所以这里把分块换成 \(4\times 4\) 的，代码如下所示：

int a, b, c, d;
for (int i = 0; i < N; i += 4) {
    for (int j = 0; j < M; j += 4) {
        for (int ii = i; ii < i + 4; ++ii) {
            a = A[ii][j];
            b = A[ii][j + 1];
            c = A[ii][j + 2];
            d = A[ii][j + 3];

            B[j][ii] = a;
            B[j + 1][ii] = b;
            B[j + 2][ii] = c;
            B[j + 3][ii] = d;
        }
    }
}

测试结果如下图所示，未命中次数为 1699 次，虽然没有达到低于 1300 次的满分要求（但是至少拿了一点分数）：

最后是 \(61\times 67\) 维度的矩阵，因为这个维度不能被 8 整除，所以先使用分块处理一部分元素，对剩下的元素再单独处理：

int a, b, c, d, e, f, g, h;
int n = 8 * (N / 8);
int m = 8 * (M / 8);
for (int i = 0; i < n; i += 8) {
    for (int j = 0; j < m; j += 8) {
        for (int ii = i; ii < i + 8; ++ii) {
            a = A[ii][j];
            b = A[ii][j + 1];
            c = A[ii][j + 2];
            d = A[ii][j + 3];
            e = A[ii][j + 4];
            f = A[ii][j + 5];
            g = A[ii][j + 6];
            h = A[ii][j + 7];

            B[j][ii] = a;
            B[j + 1][ii] = b;
            B[j + 2][ii] = c;
            B[j + 3][ii] = d;
            B[j + 4][ii] = e;
            B[j + 5][ii] = f;
            B[j + 6][ii] = g;
            B[j + 7][ii] = h;
        }
    }
}

// 处理剩余部分
for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int j = m; j < M; j++) {
        B[j][i] = A[i][j];
    }
}

for (int i = n; i < N; i++) {
    for (int j = 0; j < M; j++) {
        B[j][i] = A[i][j];
    }
}

测试结果如下图所示，未命中次数为 2093，接近满分 2000：

总结

通过这次实验，可以加深对存储器层次结构和高速缓存工作原理的理解，为后续学习打下铺垫（经典实验报告总结）。以上~~