c - 多次运行之间同一程序的不同缓存未命中计数

Question

我正在使用 Cachegrind 检索未使用 libc 编译的静态程序的缓存未命中数(只是调用我的主函数的 _start 和 asm 中的退出系统调用)。该程序是完全确定的，指令和内存引用不会从一次运行到另一次运行发生变化。缓存与 LRU 完全关联作为替换策略。

但是，我注意到未命中数有时会发生变化。更具体地说，在我转到不同的目录之前，未命中的次数始终相同:

 % cache=8 && valgrind --tool=cachegrind --I1=$((cache * 64)),$cache,64 --D1=$((cache * 64)),$cache,64 --L2=262144,4096,64 ./adpcm        
 ...
 ==31352== I   refs:      216,145,010
 ...
 ==31352== D   refs:      130,481,003  (95,186,001 rd   + 35,295,002 wr)
 ==31352== D1  misses:        240,004  (   150,000 rd   +     90,004 wr)
 ==31352== LLd misses:             31  (        11 rd   +         20 wr)

如果我一次又一次地执行相同的命令，我将一直得到相同的结果。但是如果我从不同的目录运行这个程序:

 % cd ..
 % cache=8 && valgrind --tool=cachegrind --I1=$((cache * 64)),$cache,64 --D1=$((cache * 64)),$cache,64 --L2=262144,4096,64 ./malardalen2/adpcm
 ...
 ==31531== I   refs:      216,145,010
 ...
 ==31531== D   refs:      130,481,003  (95,186,001 rd   + 35,295,002 wr)
 ==31531== D1  misses:        250,004  (   160,000 rd   +     90,004 wr)
 ==31531== LLd misses:             31  (        11 rd   +         20 wr)

我什至从不同的目录得到了不同的结果。

我还使用 Pin 工具做了一些实验，使用这个工具我不需要更改目录来获得不同的值。但似乎可能的值集非常有限，并且与 Cachegrind 完全相同。

我的问题是:这种差异的根源是什么？

我的第一个提示是我的程序在内存中没有以相同的方式对齐，因此，以前运行时存储在同一行中的一些变量不再存在。这也可以解释组合数量有限的原因。但是我虽然 cachegrind(和 Pin)使用的是虚拟地址，但我假设操作系统(Linux)总是提供相同的虚拟地址。还有其他想法吗？

编辑:正如您在阅读 LLd 未命中时所猜测的那样，该程序仅使用了 31 个不同的缓存行。此外，缓存只能包含 8 个缓存行。因此，即使在真实情况下，这种差异也无法用第二次填充缓存的想法来解释(最多只有 8 行可以保留在 L1 中)。

编辑 2: Cachegrind 的报告并非基于实际的缓存未命中(由性能计数器给出)，而是模拟的结果。基本上，它模拟缓存的行为以计算未命中数。由于结果只是暂时的，这完全没问题，并且允许更改缓存属性(大小、关联性)。

编辑 3: 我使用的硬件是 Linux 3.2 x86_64 上的 Intel Core i7。编译标志是 -static 并且对于某些程序 -nostdlib(IIRC，我现在不在家)。

Answer 1

Linux 为安全问题实现了“地址空间布局随机化”技术 (http://en.wikipedia.org/wiki/Address_space_layout_randomization)。您可以像这样停用此行为:

echo -n "0" > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

你可以通过这个例子来测试:

#include <stdio.h>

int main() {
   char a;
   printf("%u\n", &a);
   return 0;
}

您应该始终打印相同的值。

之前:

 % ./a.out
4006500239
 % ./a.out
819175583
 % ./a.out
2443759599
 % ./a.out
2432498159

之后:

 % ./a.out
4294960207
 % ./a.out
4294960207
 % ./a.out
4294960207
 % ./a.out
4294960207

这也解释了不同数量的缓存未命中，因为同一行中的两个变量现在可以位于不同的两行中。

编辑: 这显然没有完全解决问题，但我认为这是原因之一。我会将赏金奖励给任何可以帮助我解决此问题的人。