文件支持的内存映射的CPU缓存行为/策略？

Question

有谁知道在现代x86系统上为内存映射文件支持的区域分配了哪种类型的CPU缓存行为或策略（例如，不可缓存的写入组合）？

有没有办法检测是哪种情况，并可能覆盖默认行为？

Windows和Linux是您感兴趣的主要操作系统。

（编者注：此问题之前的措辞是memory mapped I/O，但该短语具有不同的特定技术含义，特别是在谈论CPU缓存时，即您说话的实际I / O设备，如NIC或视频卡与装载/商店。

这个问题实际上是关于从mmap(some_fd, ...)获得什么样的内存，当你不使用MAP_ANONYMOUS并且它由磁盘上的常规文件支持时。）

Answer 1

TL：DR内存映射文件对页面缓存的页面使用正常的回写策略，这些页面映射到进程的地址空间。如果您想要非WB的页面，则必须执行特殊操作和特定于操作系统。

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应用于地址空间区域的缓存策略通常与操作系统无关，并且仅取决于地址空间页面后面的设备类型。事实上，操作系统可以自由地将任何缓存策略应用于任何内存区域，但错误分配的缓存策略可能会降低系统性能或完全破坏系统逻辑。

至少有四种缓存策略：

1. 完全缓存（回写，又称WB）。 应用于映射到主存储器（RAM）的物理地址空间。用于提高内存子系统性能的性能。这些设备的主要特性是其状态只能通过软件进行更改，并且只能影响软件。

   内存映射文件实现使用完全缓存，因为它们完全由软件（操作系统）实现，从磁盘读取文件块并将其放入内存，然后将此块（可能已修改）放回磁盘。硬件更新页表中的“脏”位，让操作系统找出需要同步到磁盘的内容。

2. 直写式缓存。 （WT） 此类设备的主要特性是其状态只能由软件更改，但更改必须立即对设备产生影响。根据此策略，写入内存映射IO设备寄存器的数据将同时放置在两个位置：缓存和设备中。但是，当启动数据读取时，将从缓存中捕获数据，而无需昂贵的设备访问。

   此缓存策略对于不写入其内存的MMIO设备非常有用，只能读取CPU写入的内容。在实践中，它很少用于任何事情。 GPU不是那样的，并且写入视频内存，所以它不用于视频RAM。 （GPU没有使该区域的CPU缓存无效的机制，因为GPU不是CPU的缓存一致性域的一部分）

3. Uncacheable，write-combining（WC aka USCW）：弱排序的内存，通常用于映射视频RAM。像不可缓存一样，除了NT存储允许您一次有效地写入整个缓存行。 movntdqa loads let you efficiently read whole cache lines，你不能从WC地区做任何其他方式。正常加载为每个加载分别获取数据，即使在同一行内也是如此，因为它是不可缓存的。
4. 禁用缓存。 （UC） 应用于几乎所有IO设备，因为写入内存映射IO设备寄存器必须立即生效，并且从内存映射IO设备寄存器读取必须从设备返回读取器实际数据。如果缓存将应用于内存映射的IO设备，则会引入两个负面影响：
   1. 对内存映射IO设备寄存器的写入将被延迟，直到缓存控制器决定使用写入的数据刷新缓存行。因此，驱动程序将无法知道写入设备的命令何时生效。
   2. 可以缓存来自内存映射IO设备寄存器的读取数据。从同一内存映射IO设备寄存器读取的后续数据不能返回来自设备的实际数据，而是来自缓存的过时数据。因此，驱动程序很难捕获设备的实际状态。

由于软件指定缓存策略的方式仅依赖于处理器，因此可以在任何操作系统中应用相同的算法。 最简单的方法是捕获CR3寄存器的内容，并使用它找到适合您想要知道的缓存策略的地址的页表条目，并检查PCD和PWT标志。但这种方式并不完整，因为很少有其他功能可以影响缓存（例如，可以在CR0上完全禁用缓存，另请参阅MTRR，PAT）。

Answer 2

添加到ZarathustrA的现有答案：在Windows上，SEC_NOCACHE转换此缓存。有一个SEC_WRITECOMBINE，但显示已损坏（仅适用于SEC_RESERVE或SEC_COMMIT，这仅表示页面文件，并且您不想设置SEC_WRITECOMBINE在那）。