虚拟存储器与 Cache 的比较

这是全章的收束页。Cache—主存和主存—辅存是同一个思想的两次应用（见 3.1.3），因此它们在结构上高度平行：都有”块/页”、都有”命中/未命中”、都有”映射方式”、都有”替换算法”、都有”写策略”。

但它们的每一处差别，都可以从同一个数量级推出来：

未 命 中 代 价 缺 页 代 价

相差六个数量级。 这一条解释了下面表格里的几乎每一行——为什么虚拟存储器必须用全相联、必须用写回、必须交给操作系统、必须切换进程。把这条主线抓住，这张表就不用背。

机制

为什么虚拟存储器一律用全相联？ 缺页代价是毫秒级，命中率哪怕只提高千分之一都值得，所以必须消除全部冲突缺失，代价再高也要用全相联。反过来，Cache 未命中只要几十纳秒，为提高命中率而拉长命中判断的关键路径反而得不偿失，所以组相联的路数很小（见 3.5.3）。

为什么虚拟存储器只有写回，没有写直达？ 写直达意味着每次写都要同步到辅存——一次磁盘写是毫秒级，程序会完全无法运行。所以脏页只在换出时才写回。Cache 的写直达之所以可行，是因为写主存只要几十纳秒。

为什么缺页要交给操作系统，Cache 未命中不用？ 毫秒级的等待期间让 CPU 空转是巨大的浪费，必须让出 CPU 去跑别的进程——而”切换进程”这件事只有操作系统能做。Cache 未命中只有几十纳秒，切换进程本身的开销远大于等待，硬件原地等最划算。

为什么交换单位差两个数量级？ 未命中代价里绝大部分是固定开销（磁盘寻道与旋转、异常处理与进程切换），一次多搬一些数据几乎不增加成本，所以页要大。Cache 的固定开销小，块太大反而会挤掉别的有用数据。

这四条推理是简答题的标准答法：不要只写”因为缺页代价大”，要写出”代价大 → 所以某个设计选择成立”的那一步。

TLB 在这张表里的位置很特别：它是”页表的 Cache”，因此它同时属于两边——用的是 Cache 的机制（相联比较、标记、替换），服务的是虚拟存储器的目的（地址转换）。

“虚拟存储器一定采用全相联”这句话要说清含义：指的是任何一个虚页可以装入任何一个空闲页框，而不是说页表用相联查找实现（页表是按下标索引的）。用相联查找的是 TLB。

两者是串联并存的，不是替代关系。 一次访存要先经过地址转换，再查 Cache。“有了 Cache 就不需要虚拟存储器”是错的，它们解决的矛盾不同。

“对程序员透明”两者都成立，“对操作系统透明”只有 Cache 成立。 这是最常考的一处差别——操作系统必须知道页表在哪、哪些页在主存里，但它完全不知道 Cache 里有什么。

Cache 的替换算法在硬件里，页面置换算法在操作系统里。 规则可以相同（都可以叫 LRU），实现完全不同，见 3.5.4 的三种成本模型。

“缺页率”和”未命中率”是同一个概念的两个名字，但缺页率的数量级要求苛刻得多：Cache 缺失率 5% 是可以接受的，缺页率 5% 会让系统完全无法使用。