多级缓存系统中写穿透策略的写入流程及术语疑问

问题背景 #

现有包含L1、L2、L3缓存及主存的多级缓存系统：

• L1缓存采用写穿透策略：写入L1时必须同步写入下一级存储
• L2、L3缓存命中时采用写回策略：命中时仅更新缓存块并标记为“脏”，仅当缓存块被替换时才写回下一级存储

需分析两种L1命中的写入场景下的数据流转，并解答相关概念争议：

• 场景1：地址A同时存在于L1、L2、L3缓存中
• 场景2：地址A存在于L1缓存，不存在于L2缓存，但存在于L3缓存中

场景1：地址A在L1、L2、L3均命中的写入流程 #

1. CPU将新数据写入L1缓存的地址A块
2. 由于L1是写穿透策略，必须同步将数据传入下一级的L2缓存
3. L2缓存命中地址A，且采用写回策略：仅更新L2中的地址A块，并将该块标记为“脏”（表示与下一级存储数据不一致）
4. 停止向下传播：L3缓存和主存不会被立即更新，只有当L2的该“脏”块被替换时，才会将数据写回L3；同理，L3的“脏”块被替换时才会写回主存

最终仅更新L1和L2缓存，L3与主存保持旧数据。

场景2：地址A在L1命中、L2未命中、L3命中的写入流程 #

1. CPU将新数据写入L1缓存的地址A块
2. L1写穿透同步将数据传入L2缓存，此时L2未命中地址A
3. L2缓存处理未命中的写入：
   • 若L2有空闲缓存块：直接分配块存储地址A的新数据，标记为“脏”
   • 若L2无空闲块：选中待替换的块，若该块为“脏”则先将其写回L3，再分配块存储地址A的新数据并标记为“脏”
4. 停止向下传播：L3缓存和主存的旧数据不会被立即更新，后续仅当L2的“脏”块被替换时才会更新L3，L3的“脏”块被替换时再更新主存

最终仅更新L1和L2缓存，L3与主存保持旧数据。

关于教材与资料的争议解释 #

Hennessy & Patterson教材中“上层缓存采用写穿透更可行，写入仅需传播至下一级缓存而非直达主存”的表述，是针对现代多级缓存架构的实际设计：

• 多级缓存中，下级缓存（如L2、L3）是上层缓存的直接后备存储，写穿透仅需同步到直接下一级缓存，而非跳过中间层级直达主存，这样能大幅减少主存的写入次数，提升系统性能
• 部分资料称“需写入DRAM”，多是基于早期单级缓存模型（此时写穿透的下一级就是主存），或是简化的教学模型，忽略了多级缓存的层级结构

维基百科“lower memory”的定义 #

在缓存写入策略的语境中，“lower memory”特指当前缓存的直接下一级存储层级：

• 对L1缓存而言，lower memory是L2缓存
• 对L2缓存而言，lower memory是L3缓存
• 对L3缓存而言，lower memory是主存

因此“写入数据至lower memory”仅指写入直接下一级的存储，而非所有下级缓存加主存。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者helloworld1e.