🚀 Cache 写策略学习笔记：从写不命中到多级缓存的精细控制
🧠 为什么需要 Cache 写策略？
在现代计算机体系中，Cache（高速缓存） 承担着 CPU 与主存之间的“加速器”角色。读操作可以通过缓存机制提高命中率，减少主存访问时间，但 写操作就没那么简单：
- 写是数据更新操作，涉及一致性维护；
- 写操作存在“命中”和“不命中”两种情况，行为不同；
- 在多级 Cache 中，不同层之间的数据传输策略也不一样。
因此，为了提高效率、降低主存带宽压力并维持一致性，必须设计合适的写策略（Write Policy）。
📌 基础术语说明
- 写命中（Write Hit）：要写入的数据地址已存在于 Cache 中。
- 写不命中（Write Miss）：要写入的地址在 Cache 中不存在。
- 写直达（Write Through）：数据同时写入 Cache 和主存。
- 写回（Write Back）：先只写入 Cache，延迟写入主存，需设置“脏位”。
- 写分配（Write Allocate）：写不命中时，将块从主存加载入 Cache，然后写入 Cache。
- 非写分配（No Write Allocate）：写不命中时，不加载块入 Cache，直接写主存。
📘 我的提问与探索过程整理如下：
✅ 1. 写不命中是什么意思？写什么？
我的问题：
“CPU 写不命中是什么意思，写什么？”
学习成果总结：
写不命中（Write Miss）指的是 CPU 要写入某地址，但这个地址所对应的数据块不在 Cache 中。此时系统必须选择是把这块数据从主存调入 Cache（写分配），还是直接写主存（非写分配），这由写策略决定。
✅ 2. 我这样理解对吗？
我的问题：
“现在我需要写入一个地址，可以是存入一个数字吗？那么这个过程就是 CPU 需要向 Cache 写入这个数字，但地址不在 Cache 中，就用写分配法将主存单元找出写入 Cache，使用写回法将原 Cache 地址写回主存，然后再将新的地址写入 Cache，这样理解对吗？”
学习成果总结：
这个逻辑大体是对的，但顺序要理清：
- CPU 要写入地址 A，但发生写不命中；
- 使用写分配策略：把地址 A 所在块从主存加载到 Cache；
- 此时 Cache 若满，需替换一块；
- 如果被替换的块是脏的（被修改过） → 写回主存；
- 然后再将块 A 写入 Cache，并执行写入；
- 写回策略意味着只更新 Cache，不立即写主存，延迟到块被替换时再写。
✅ 3. 替换时才触发写回是对的吗？
我的问题：
“写入 Cache 之前不是 Cache 已经满了吗？如果原来被替换的块使用了写回法，那是不是在替换时才将原始块写回主存？”
学习成果总结：
✅ 正确！写回策略的精髓就是延迟写主存，只有当该块被替换时，如果它是“脏的”，才将其整个块写回主存。这么做是为了减少主存写入次数，提高效率。
✅ 4. 非写分配时如何更新主存？我理解对吗？
我的问题：
“全写法（写直达）是写命中时同时写 Cache 和主存；非写分配法是写不命中时直接写主存，不更新 Cache。这里写不命中是如何更新主存单元的？是不是 CPU 没在 Cache 中找到目标块，就直接写主存，但不更新 Cache？”
学习成果总结：
✔ 是的，你理解是准确的。
**非写分配（No Write Allocate）**策略下：
- 写不命中时不会调块进 Cache；
- 直接把数据写到主存中；
- Cache 结构不发生变化；
- 下一次再访问同一地址时仍会 miss。
✅ 5. 多级 Cache 中策略为什么不同？
我的问题：
“为什么在多级 Cache 中，L1 和 L2 之间使用写直达 + 非写分配；而 L2 和主存之间使用写回 + 写分配？这与我前面说的写回和写分配搭配是否一致？如果不一致，它们是怎么实现的？”
学习成果总结：
这不是矛盾，而是有层次性设计考虑：
🔹 L1 ↔ L2：写直达（Write Through）+ 非写分配
- L1 小而快，设计目标是响应速度快 → 避免污染、降低复杂性；
- 写直达 → 写操作立即反映在 L2；
- 非写分配 → 写 miss 直接落到 L2，不拉数据入 L1。
🔹 L2 ↔ 主存：写回（Write Back）+ 写分配
- L2 容量更大，适合长期缓存 → 利用局部性；
- 写回 → 降低主存带宽压力；
- 写分配 → 写 miss 时拉块入 L2，优化后续访问。
所以，它们并非异或，而是按功能分层优化设计的体现。
✅ 总结：我的写策略知识图谱
| 类别 | 策略类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 写命中时 | Write Through | 同时写入 Cache 和主存 |
| 写命中时 | Write Back | 只写 Cache，标脏位，延迟写主存 |
| 写不命中时 | Write Allocate | 把目标块从主存加载到 Cache，再写入 |
| 写不命中时 | No Write Allocate | 不加载块，直接写主存，不更新 Cache |
| 多级 Cache | L1–L2 用 WT+NWA | 保持 L1 简洁、高速 |
| 多级 Cache | L2–主存用 WB+WA | 提高整体性能和局部性 |
📝 学习建议
- 区分写命中策略与写不命中策略
- 多级 Cache 中要理解层级功能不同→策略不同
- 建议多用图表模拟访问流程，帮助深化理解