SHiP: Signature-based Hit Predictor for High Performance Caching结合Sniper的实现

本文主要是介绍SHiP: Signature-based Hit Predictor for High Performance Caching结合Sniper的实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

SHiP: Signature-based Hit Predictor for High Performance Caching

1. 论文摘要
共享末级缓存（LLC）在提高应用程序性能和减少片外存储器的带宽要求方面扮演着很重要的角色。为了更加有效的使用LLC，最近的研究发现，通过改变在缓存插入和缓存命中时的数据的重引用间隔的预测能够显著的提高缓存的性能。因此如何最好的预测将要插入的数据的重引用行为将会是一个最基本的研究挑战。
本文通过研究发现，将缓存行的重引用行为与该缓存行对应的唯一的签名进行关联，缓存的性能能够得到很高的提升。我们调查研究了三种缓存行的签名信息的使用效果，包括使用内存区域，程序计数器和指令序列历史记录来获得签名。同时我们还提出了一种基于签名的命中预测器（SHiP）来学习属于每个签名对应的数据的重引用行为。总的来说，我们发现SHiP能够使得基础的LRU替换策略和最新的研究的缓存替换策略都有实质性的性能提升。平均而言，相对于LRU替换算法，SHiP能够提升顺序和多道程序大致10%和12%的性能。同时，SHiP与最近的提出的替换算法，例如Seg_LRU和SDBP，能够提高接近一倍的性能，并且只需要较少的硬件开销。
关键词：替换策略，重引用间隔预测，共享缓存

2. 算法介绍
算法目标：利用署名信息来预测cache中插入的数据在将会在未来的哪里被再次访问

存储开销：为了学习签名的重引用模式，算法需要为每个缓存行增加两个存储区域：署名存储区和用于跟踪缓存插入结果的单独一位。结果位在初始化时是零，只有当缓存行被重引用才会被置为1。同时还要维护一个SHCT表，大小为16K。

算法描述：首先使用一个饱和计数器组成的SHCT表来学习签名的重引用行为。当缓存行命中时，SHiP算法会增加SHCT表中该缓存行对应的签名的值。当一个缓存行要被替换出去并且在插入之后没有被重引用过，SHiP会较少SHCT中对应的值。SHCT表中的值代表着签名的重引用行为。如果值为0，则说明这个缓存行很有可能不会被使用。换句话说，与签名相关联的引用的重引用间隔很大。另一种情况，如果SHCT中计数器的值是正的，说明相应的签名很有可能被命中。由于SHCT值记录一个给定的签名是否被重引用而不是时间，所以SHCT无法得到准确的重引用间隔。SHiP的根本目的是为LLC的替换策略提供一个参考，算法可以提供对于每一个插入的缓存行给出一个重引用间隔。在算法执行过程中，如果发生cache缺失，通过要插入的缓存行的签名在SHCP表中找到相应的值，如果这个值为零则表示该要插入的缓存行的重引用间隔很大，否则就认为重引用间隔较小，将会被访问。利用这些信息，替换策略可以选择是否要替换该行。

3. 签名的选择和获取
每一个cache line都有自己的一个Signature，通过这个签名来索引SHCT表。根据Signature的来源不同，可以将其分为三类，在实验过程中将会比较这三种类型在性能上的差异。
第一类：SHiP-PC。基于程序计数器PC的Signature定义。主要含义是利用访存指令的地址作为SHCT的索引。通过hash函数将PC的值映射为14位的签名。
第二类：SHiP-ISeq。基于指令序列历史记录的signature定义。设定访存指令为1，其余为0，在流水线的译码阶段给出1/0，得到一定长度的01序列来作为指令序列的历史记录。对于每个cache line使用当前指令包括现在的14位长度的序列作为签名。
第三类：SHiP-Mem。基于访问的内存地址的signature定义。主要含义是指明内存每个地方的数据可能被重复引用间隔。地址的高14位作为signature。

4. SHCT的设计
SHCT设计为16K个表项，每个表项三位，作为饱和计数器。所以signature的位数为14位，用于索引SHCT。每个cache line需要增加两个区域，一个用于存储signature，需要14位；另一个占用1位用于存取outcome，表示是否被重新引用过。

5. SHCT的更新操作

if LLC命中 thencache_line.outcome = true;SHCT[signature_m]++;
elseif 被剔除缓存行的outcome!=trueSHCT[signature_m]--;cache_line.outcome = false;cache_line.signature_m = signature;if SHCT[signature] == 0该要被插入的缓存行被预测为 distant re-reference;else该要被插入的缓存行被预测为 intermediate re-reference;
end if

6. SHCT代码实现

extern int sig_choice;
class SHCT
{private:unsigned char table[16*1024];public:UInt64 PC;UInt64 maddr;UInt64 inst_hist;unsigned int signature;SHCT(){for(int i=0;i<16*1024;i++)table[i]=0;}unsigned int find_signature(unsigned int signature){if(signature<16*1024)return table[signature];elsereturn 0;}void increment_signature(unsigned int signature){if(signature<16*1024){table[signature]++;if(table[signature]>7)table[signature]=7;}}void decrement_signature(unsigned int signature){if(signature<16*1024&&table[signature]>0)table[signature]--;}void PC_to_signature(){srand(PC);signature=rand()%(16*1024);}void maddr_to_signature(){signature=(maddr>>30)%(16*1024);}void insthist_to_signature(){srand(inst_hist);signature=rand()%(16*1024);}unsigned int set_PC(UInt64 pc){PC=pc;PC_to_signature();return signature;}unsigned int set_maddr(UInt64 ma){maddr=ma;maddr_to_signature();return signature;}unsigned int set_hist(UInt64 hist){inst_hist=hist;insthist_to_signature();return signature;}
};
extern SHCT *shct;
//使用全局变量传递PC等参数
//三种signature需要的数据
extern UInt64 PC;
extern UInt64 inst_hist1;
extern UInt64 maddr;

7. SHCT的操作的实现
（1）cache hit时的shct表更新

m_cache_block_info_array[line_index]->set_reused(true);   
Shct->increment_signature(m_cache_block_info_array[line_index]->get_signature());

（2）cache miss时的shct表更新

if(!evict_block_info->get_reused())            shct->decrement_signature(evict_block_info->get_signature());
m_cache_block_info_array[index]->set_reused(false);            m_cache_block_info_array[index]->set_signature_choice(sig_choice);

8. SHCT与替换算法的结合
（1）SHCT+LRU

• 根据将要插入的数据对应的signature，查找shct表，确定counter的值
• 在cacheline中寻找对应的shct表中的值不大于counter的cacheline
• 在找到的cacheline中使用lru替换算法
• 如果找不到满足要求的cacheline，使用lru替换算法

（2）SHCT+SRRIP

• 对于要插入的数据，srrip会将该数据插入到的cacheline对应的rrip_bits设置为0
• shct_srrip对于要插入的数据，首先判断该数据的signature对应于shct表中的counter的值是否为0。如果为0，表示很长时间都不会重引用，则将rrip_bits设置为rrip_max-1；除此之外设置为0

9. 具体代码和实验数据
github 实验代码和数据链接

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