在组相联cache中，用于替换cache line的算法有哪些？

1. 在组相联cache中，用于替换cache line的算法有哪些？

• LRU(Least Recently Used)算法：该算法会跟踪每个cache line的age(年龄)情况，并在需要时替换掉近期最少使用的cache line。
• MRU(Most Recently Used)算法：这与LRU相反，最年轻的cache line会优先被替换掉。
• PLRU(Pseudo LRU)算法：这与LRU相似，它没有age跟踪cache line(这样开销较大)，只有1个或2个bit来跟踪cache line使用情况。
• LFU(Least Frequently Used)算法：该算法会跟踪一个cache line访问的频率，并决定替换使用次数最少的cache line。
• Random replacement算法：该算法不存储任何信息，当需要替换时随机选择一个cache line。

2. Cache coherency的问题是什么？

在SMP(Shared Multiprocessor systems)中，多个处理器都有自己的cache，同一数据(同一地址)的多个副本可能同时存在于不同的cache中。如果允许每个处理器自由更新cache，则可能导致数据一致性被破坏了。例如：如果允许两个处理器向相同的地址写入值，那么在不同的处理器上读取相同的地址可能会看到不同的值。

3. 基于snoop的缓存一致性协议和基于directory的缓存一致性协议有什么区别？

在基于Snoop的一致性协议中，来自处理器的数据请求被发送到共享系统里的所有其它处理器。其它处理器根据这个请求查看自己是否有数据的副本，并做出相应的响应。因此，每个处理器都试图保持内存的一致性视图。

在基于directory的一致性协议中，directory用于跟踪哪些处理器正在访问和缓存哪些地址。任何发出新请求的处理器都将检查该directory，以了解是否有任何其它处理器用于数据副本，然后可以向该处理器发送点到点请求，以获取最新的数据副本。

两者的优缺点为：基于snoop的一致性协议用于较小的系统的话，如果有足够的带宽用于传递请求，它会更快。但对于较大的SMP系统不具有可伸缩性，因此需要为每个请求广播消息，可能会使系统过载阻塞。基于directory的一致性协议由于在发送消息之前需要查找记录的表，可能会有较长的延迟。但它没有广播消息，可伸缩性更好，通常用于较大的SMP系统中。

4. 什么是MESI协议？

MESI协议是具有多个write-back 类型cache的设计中最常用的cache一致性协议。MESI表示在所有cache中跟踪每个cache line并用于响应snoop请求的状态。这些不同的状态可以解释如下：

• M(Modified)：表示cache line数据相对于memory数据被修改过了，为dirty的。
• E(Exclusive)：此状态表示cache line数据相对于内存是clean的，且只在该cache中存在。Exclusive属性允许该cache所在的处理器对该cache line进行写操作。
• S(Shared)：该状态表示cache line被多个cache共享，并且相对memory也是clean的。由于这是在所有cache共享的，因此协议不允许直接对该cache line进行写操作。
• I(Invalid)：该状态表示cache line无效，没有任何有效数据。
• 当cache line处于除Invalid之外的任何状态时，cache都可以处理读请求。当cache line处于Modified或Exclusive状态时，才可以处理写请求。

5. 什么是MESIF和MOESIF协议？

这两个协议都是MESI协议的扩展，引入了两个新的状态”F”和”O”，解释如下：

• F(Forward)：F状态时S状态的一种特殊形式，表明cache应该通过转发数据来充当给定cache line的任何请求的指定反馈者。如果系统中有多个cache具有处于S状态的同一cache line，则将其中一个指定为F状态，以便为来自不同处理器的新请求转发数据。该协议确保，如果任何cache保存的cache line为S状态，那么最多只有一个(其他)cache保存的cache line为F状态。这种状态有助于减少对memory带宽的占用，因为没有F状态，即使一条cache line在多个cache中处于S状态，它们都不能将数据转发给请求读或写的不同处理器。（请注意，cache中的S状态cache line只能服务于相同的处理器读取）
• O(Owned)：O状态时一种特殊的状态，它是为了在不需要写回memory的情况下在系统的不同cache中移动修改过的或dirty的数据而引入的。如果cache line还与其它可以使cache line保持S状态的cache共享，则cache line需要从M状态转换到O状态。O状态有助于将修改后的数据推迟写回memory，直到真正需要时再写。

6. 什么是RFO？

RFO代表Read for Ownership。这是cache一致性协议中的一种操作。它是由处理器试图写入共享或无效状态的cache line时发出的，这将导致所有其它处理器将该cache line的状态设置为Invalid。RFO是意图写入该memory地址的读操作。因此，该操作是排他的，它将数据读到cache中，并使持有该memory地址的所有其它处理器的cache无效掉这个cache line。