如何使TLB与用户进程发生冲突？

Question

我目前的工作需要在Intel Core系列的CPU上生成指定数量的TLB未命中，尽管进展不顺利。我尝试了很多方法，但是所有方法都具有很高的TLB命中率。有谁知道关于x86 TLB如何工作的有用信息，或在用户进程中生成大量TLB未命中的某些方法？

Answer 1

TLB 是 CPU 用来记住与虚拟地址关联的物理地址的高速缓存。虚拟地址空间被分成页，通常每页 4KB。TLB 为每个可能的虚拟页都有一个空间，其中包含与其关联的物理页的地址。当您尝试访问物理地址尚未加载的页面时，就会发生 TLB 未命中。因此，为了最大限度地提高未命中率，您需要最大限度地提高访问的不同页面的数量。

不幸的是，事情并没有那么简单。简单的 TLB 未命中将从页表层次结构中读取条目以找到正确的物理地址。但只有当您访问具有物理地址的页面时才会发生这种情况。操作系统将确定哪些虚拟地址具有哪些物理地址，如果您尝试从任何其他地址读取数据，则会导致页面错误。页面错误处理程序将终止非法访问该页面的程序，或者移动数据以将物理页面放入该虚拟地址中。

导致尽可能多的 TLB 未命中的最佳方法是：

1. 分配操作系统允许的尽可能多的内存。您应该交替分配大块和小块，在分配另一个大块后释放小块。这有望最大限度地提高碎片率，将您的内存分散到尽可能多的页面上。
2. 创建一个列表，其中包含您分配的内存中使用的每个不同页面的一个地址。您还可以添加您知道可读的其他页面，例如包含代码的页面。
3. 循环遍历该列表，从每一页读取数据。由于操作系统需要释放物理页以放入虚拟页，因此它将（希望）使用先前与循环中的其他页关联的物理页，从而导致最大数量的 TLB 未命中。

当可用 RAM 变低时，未命中次数将会增加，因为操作系统必须移动更多物理页来满足程序的需求，因此最好同时运行其他占用内存的进程。