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Cache工作原理要求它尽量保存最新数据,当从主存向Cache传送一个新块,而Cache中可用位置已被占满时,就会产生Cache替换的问题。替换问题与Cache的组织方式紧密相关:对直接映射Cache来说,只要把此可用位置上的主存块换出Cache即可;对全相联和组相联Cache来说,要从若干个可用位置中选取一个位置,把其中的主存块换出Cache。

常用的替换算法有下面三种。

1. 最不经常使用(LFU)算法

LFU(Least Frequently Used,最不经常使用)算法将一段时间内被访问次数最少的那个块替换出去。每块设置一个计数器,从0开始计数,每访问一次,被访块的计数器就增1。当需要替换时,将计数值最小的块换出,同时将所有块的计数器都清零。

这种算法将计数周期限定在对这些特定块两次替换之间的间隔时间内,不能严格反映近期访问情况,新调入的块很容易被替换出去。

2. 近期最少使用(LRU)算法

LRU(Least Recently Used,近期最少使用)算法是把CPU近期最少使用的块替换出去。这种替换方法需要随时记录Cache中各块的使用情况,以便确定哪个块是近期最少使用的块。每块也设置一个计数器,Cache每命中一次,命中块计数器清零,其他各块计数器增1。当需要替换时,将计数值最大的块换出。

LRU算法相对合理,但实现起来比较复杂,系统开销较大。这种算法保护了刚调入Cache的新数据块,具有较高的命中率。LRU算法不能肯定调出去的块近期不会再被使用,所以这种替换算法不能算作最合理、最优秀的算法。但是研究表明,采用这种算法可使Cache的命中率达到90%左右。

3. 随机替换

最简单的替换算法是随机替换。随机替换算法完全不管Cache的情况,简单地根据一个随机数选择一块替换出去。随机替换算法在硬件上容易实现,且速度也比前两种算法快。缺点则是降低了命中率和Cache工作效率。

Cache命中率除了和替换算法有关外,还与Cache的容量及块的大小有关。