非缓存内存的使用场景及相关技术问题问询

除了硬件DMA通信之外，还有这些常见场景需要将内存标记为非缓存：

• 内存映射的硬件寄存器：很多外设通过内存地址映射提供寄存器访问，这些寄存器的值会被硬件实时修改或触发硬件动作，缓存会导致CPU读取到过期值，必须禁用缓存来保证读写的实时性和准确性。
• 强一致性要求的共享内存：多处理器/核心共享的内存区域，如果需要严格的实时数据一致性，禁用缓存可以避免缓存一致性协议带来的额外开销，或者防止出现缓存不一致的问题（比如某些实时控制系统的共享数据区）。
• 一次性批量操作的大内存块：比如一次性读写几GB的临时文件或日志，数据不会被重复访问。这类数据如果进入缓存，会挤掉其他高频使用的缓存数据，影响整体系统性能。不过要注意，现代主流操作系统的缓存管理已经很智能，手动标记非缓存不一定能达到预期优化效果，反而可能失去系统自带的预读、写合并等优化。
• 特殊内存类型访问：比如嵌入式系统中的一次性写入ROM、临时易失性SRAM，或者某些专用硬件的内存区域，这些内存要么不会变化，要么访问频率极低，禁用缓存可以避免占用宝贵的缓存空间。

这个问题得结合操作系统和硬件架构来看：

• 不同系统的标志不同：MAP_NOCACHE是BSD系（如FreeBSD）的标志，Linux系统并没有这个标准标志，对应的是架构特定的选项，比如ARM平台的MAP_UNCACHED，或者通过mprotect()设置PROT_NOCACHE（部分架构支持）。
• 权限限制：普通用户态进程通常需要特殊权限（比如Linux的CAP_SYS_RAWIO）才能创建非缓存映射，因为修改内存缓存属性可能影响系统稳定性。
• 总结：用户态下能否实现非缓存映射，不是跨平台的通用操作，得看具体系统和硬件，且大多需要额外权限。

将部分内存范围标记为非缓存可提升性能，避免缓存极少被重新访问的内存区域，从而避免无复用情况下加载数据到缓存的开销。根据上下文，缓存条目也可被禁用或锁定。

维基百科的这个说法是理论层面的，但在主流操作系统（如Linux、Windows）中，靠手动标记非缓存来提升性能通常是没必要的，甚至可能起反作用：

• 现代OS的页缓存会智能管理，自动将不常用的页面淘汰出缓存，不会让无用数据长期占用缓存空间。
• 禁用缓存会丢失缓存带来的预读、写合并等优化，对于普通应用来说，反而会降低读写效率。
• 只有在硬件交互这类必须保证数据一致性的场景下，非缓存才是刚需，而非为了性能优化。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者NK-cell