Cache命中率分析工具的使用(附源代码)

题目：安装一种Cache命中率分析工具，并现场安装、演示。

一、什么是CPU-Cache

CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容

量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。高速缓存的出现主要是为了解

决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读

写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先缓存中调用，从而加快读取速度。CPU包

含多个核心，每个核心又有独自的一级缓存（细分成代码缓存和数据缓存）和二

级缓存，各个核心之间共享三级缓存，并统一通过总线与内存进行交互。

二、关于Cache Line

整个Cache被分成多个Line，每个Line通常是32byte或64byte，Cache Line

是Cache和内存交换数据的最小单位，每个Cache Line包含三个部分

Valid：当前缓存是否有效

Tag：对应的内存地址

Block：缓存数据

三、Cache命中率分析工具选择

1、Linux平台：Valgrind分析工具；

2、Windows平台如下：

java的Jprofiler；

C++的VisualStudio2010及以后的版本中自带profile工具；

Application Verifier；

intel vtune等。

四、选用Valgrind分析工具在Linux-Ubuntu14.04环境下实验

1.Valgrind分析工具的常用命令功能：

memcheck：检查程序中的内存问题，如泄漏、越界、非法指针等。

callgrind：检测程序代码的运行时间和调用过程，以及分析程序性能。

cachegrind：分析CPU的cache命中率、丢失率，用于进行代码优化。

helgrind：用于检查多线程程序的竞态条件。

massif：堆栈分析器，指示程序中使用了多少堆内存等信息。

2.Valgrind分析工具的安装：

使用Ubuntu统一安装命令：sudo apt-get install valgrind

之后等待安装完成即可。

安装界面如图（由于我已经安装了此工具，而且没有更新的版本，图上结果为无可用升级）。

五、使用Valgrind分析工具测试程序的Cache命中率

1．首先，编写两个C语言程序，主要使用对数组数据两种读写方式来测试Cache命中率的不同，同时根据程序做同一件事的运行时间来判断程序质量的好坏。

代码如下：

cache1.c :

#include

#include

#include

#define MAXROW 8000

#define MAXCOL 8000

int main () {

struct timeval startTime,endTime;

float Timeuse;

int i,j;

static int x[MAXROW][MAXCOL];

printf ("Running!\n");

gettimeofday(&startTime,NULL);

for (i=0;i

for (j=0;j

x[i][j] = i*j;

printf("Completed!\n");

gettimeofday(&endTime,NULL);

Timeuse = 1000000*(_sec - _sec) + (_usec - _usec);

Timeuse /= 1000000;

printf("Timeuse = %f\n",Timeuse);

return 0;

}

cache2.c :

#include

#include

#include

#define MAXROW 8000

#define MAXCOL 8000

int main () {

struct timeval startTime,endTime;

float Timeuse;

int i,j;

static int x[MAXROW][MAXCOL];

printf ("Running!\n");

gettimeofday(&startTime,NULL);

for (j=0;j

for (i=0;i

x[i][j] = i*j;

printf("Completed!\n");

gettimeofday(&endTime,NULL);

Timeuse = 1000000*(_sec - _sec) + (_usec - _usec);

Timeuse /= 1000000;

printf("Timeuse = %f\n",Timeuse);

return 0;

}

2.对以上两个程序进行Cache命中率测试：

①编译两程序：

gcc -o cache1 cache1.c

gcc -o cache2 cache2.c

②使用命令valgrind --tool=cachegrind ./cache1

测试cache1程序的Cache命中率：