Cache Lab
cache lab 缓存实验
代码下载
从CSAPP上面下载对应的lab代码
http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html
环境准备
需要安装 valgrind。可以参考文章Valgrind centos。
安装好以后执行valgrind --version可以看到版本号。
Cache simulator
cache simulator not a cache。我们不是实现一个真正的缓存，只是实现一个模拟器。- 不存储内容
- 不使用block offset
- 只计算命中数，不命中数和驱逐数(hit count, miss count,eviction count)
- 缓存模拟器需要在不同的s,b,E下运行。
- 使用LRU替换策略
Hints
- 使用二维数组 struct cache_line cache[S][E];
- S = 2^s
- cache_line //上面说了不需要block offset，所以可以忽略block的内容
- Valid bit
- Tag
- LRU counter
- 通过getopt获取命令行输入
- 返回-1表示没有输入了
- 通常在循环里面接收参数
- 需要包含#include <unistd.h>,#include <getopt.h>
- 通常使用switch来处理不同的输入
- 考虑如何处理无效输入
- 更多信息 man 3 getopt
- fscanf可以指定要读的流(scanf只能读标准输入流)，用来读取trace file
- 参数
- 一个流的指针
- 如何解析文件的信息的格式化字符串
- 其余部分是指向存储解析数据的变量的指针
- 通常在循环里使用
- 当命中EOF或者没有匹配到格式化字符串的时候返回-1
- 更多信息 man fscanf
- 参数
- Malloc/free
- malloc分配数据到heap
- 记得 free 掉malloc的数据
- 不要 free 你没有分配的内存
要求我们实现csim.c文件，给了一个示例csim-ref文件。
输入./csim-ref -h可以看到我们要实现的东西。
首先需要接受参数，参数有
- -h 输出帮助信息
- -v 可选详细标志，根据示例程序来，就是输出
L 10,1 miss这些信息 - -s [num] set index bit 数
- -E [num] 每个set的行数
- -b [num] block offset bit数
- -t [file] Trace file文件路径
根据上面的提示可以知道，通过getopt函数来接收参数，并通过switch来处理。读取文件则通过fscanf函数，来读取-t传的文件。
下面是./traces/yi.trace文件的内容
L 10,1M 20,1L 22,1S 18,1L 110,1L 210,1M 12,1
- L 代表数据载入
- S 代表数据存储
- M 代表数据修改，需要一次载入 + 一次存储
- 后面的10，20，22这些代表地址
- 最后的1代表操作内存访问的字节数
完整代码
#include "cachelab.h"
#include <unistd.h>
#include <getopt.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct{int valid;int tag;int time_stamp;
} cache_line;int timestamp = 0;// 开始匹配到合适的set 找到命中的cache，如果命中返回1,如果没有命中返回0
int find_hit_cache(cache_line *cache_line,int E,int tag, int*hits) {int isHit = 0;// 循环set中的cache_line 找到是否有匹配tag && validfor(int i = 0; i < E; i++) {if (cache_line[i].valid == 1 && cache_line[i].tag == tag ) {//hitprintf("hit \n");*hits = *hits + 1;isHit = 1;//刷新时间cache_line[i].time_stamp = timestamp;return isHit;}}return isHit;
}// 找到一个空的cache line放进去，找到了就返回1，没有找到就返回0
int find_empty_cache(cache_line *cache_line,int E,int tag) {int have_empty_cache = 0;for (int i = 0; i< E; i++) {if (cache_line[i].valid == 0) {// 空的// 把当前内存放入cachecache_line[i].valid = 1;cache_line[i].tag = tag;cache_line[i].time_stamp = timestamp;// 找到了就不需要替换了have_empty_cache = 1;return have_empty_cache;}}return have_empty_cache;
}// 获取要替换的索引
int get_eviction_index(cache_line *cache_line, int E) {int max_time_stamp = timestamp;int eviction_index = -1;for (int i = 0; i< E; i++) {if (cache_line[i].time_stamp < max_time_stamp) {//找到time_stamp最小的那个max_time_stamp = cache_line[i].time_stamp;eviction_index = i;}}return eviction_index;
}// LRU替换
void LRU(cache_line *cache_line, int E,int tag) {// 获取要替换的索引int eviction_index = get_eviction_index(cache_line, E);// 替换cache_line[eviction_index].valid = 1;cache_line[eviction_index].tag = tag;cache_line[eviction_index].time_stamp = timestamp;
}// L和S操作，M就调用两次这个
int load_and_store(unsigned address,int b,int s,int u_max,int E,cache_line **cache, int *hits,int *misses,int *evications) {// 获取set index block offset tagint set_index,tag;set_index = (address >> b) & u_max;tag = (address >> b) >> s;// 开始匹配到合适的set 找到命中的cache，如果命中返回1,如果没有命中返回0int isHit = find_hit_cache(cache[set_index], E, tag, hits);if (isHit == 0) {// missprintf("miss \n");*misses = *misses + 1;// 找到一个空的cache line放进去，找到了就返回1，没有找到就返回0int have_empty_cache = find_empty_cache(cache[set_index], E, tag);// 如果没有找到空的cache,就需要LRU替换if (have_empty_cache == 0) {printf("evictions \n");*evications = *evications + 1;//LRU替换LRU(cache[set_index], E, tag);}}// 更新全局时间戳timestamp++;return 0;
}int main(int argc, char** argv)
{// 接受参数 getoptint opt,v,s,E,b,S,B;// 文件FILE * pFile;while(-1 != (opt = getopt(argc, argv, "h?v?s:E:b:t:"))){// opt is h,v,s,E,b,t的ASCII码值// 通过switch对不同的参数进行不同的处理switch(opt) {case 'h':printf("./csim: Missing required command line argument \n Usage: ./csim-ref [-hv] -s <num> -E <num> -b <num> -t <file> \n Options: \n -h Print this help message. \n -v Optional verbose flag. \n -s <num> Number of set index bits. \n -E <num> Number of lines per set. \n -b <num> Number of block offset bits. \n -t <file> Trace file. \n\n Examples: \n ./csim -s 4 -E 1 -b 4 -t traces/yi.trace \n ./csim -v -s 8 -E 2 -b 4 -t traces/yi.trace \n");// h参数输出帮助内容break;case 'v':// v参数输出详细信息v = 1;printf("v:%d \n",v);break;case 's':// S is set 2^s 的数量// s is Number of set index bitss = atoi(optarg);S = 1 << s;printf("s:%d, S:%d \n",s,S);break;case 'E':// E is cache line 的数量// Number of lines per setE = atoi(optarg);printf("E:%d \n",E);break;case 'b':// B is block data 的字节// b is Number of block offset bitsb = atoi(optarg);B = 1 << b;printf("b:%d, B:%d \n",b,B);break;case 't':// t is Trace file// 读取文件//t = atoi(optarg);pFile = fopen(optarg,"r");printf("t:%s, file:%p \n",optarg,pFile);break;default:printf("非法参数 \n");break;}}if(s == 0 || E == 0 || b == 0) {return 0;}// cache存储cache_line **cache = (cache_line **)malloc(S * sizeof(cache_line *));if (cache == NULL) {printf("内存分配失败 \n");}for(int i = 0; i < S; i++) {cache[i] = (cache_line *)malloc(E * sizeof(cache_line));if(cache[i] == NULL) {printf("内存分配失败，开始回滚 \n");// 在这里需要释放已分配的内存，然后退出for (int j = 0; j < i; ++j) {free(cache[j]);}free(cache);}}int u_max = 1; for(int i = 0; i < s - 1; i++) {u_max = (u_max << 1) | 1;}// 读取文件char identifier;unsigned address;int size;int hits,misses,evictions;
// Reading lines like " M 20,1" or "L 19,3"while(fscanf(pFile," %c %x,%d",&identifier,&address,&size)>0){// Do stuff// 开始计算 hits,misses,evictions, hits:0 misses:0 evictions:0//printf("identifier %c, addr:%x, size:%d \n",identifier,address,size);//根据identifier来判断动作L load S store M = 一次L 一次Sif (identifier == 'L' || identifier == 'S'){printf("identifier %c, addr:%x, size:%d \n",identifier,address,size);load_and_store(address,b,s,u_max,E,cache,&hits,&misses,&evictions);} else if (identifier == 'M') {// 一次L 一次Sprintf("identifier %c, addr:%x, size:%d \n",identifier,address,size);load_and_store(address,b,s,u_max,E,cache,&hits,&misses,&evictions);load_and_store(address,b,s,u_max,E,cache,&hits,&misses,&evictions);}}fclose(pFile); //remember to close file when doneprintSummary(hits, misses, evictions);// 释放数组内存for(int i = 0; i< S; i++) {free(cache[i]);}free(cache);return 0;
}
