# 第 19 章实验：测量 TLB 的大小和未命中代价

对应原书第 19 章的 Homework (Measurement)。思路来自 Saavedra-Barrera：在一个大数组里**每页只访问一个 int**，
访问 N 个页并重复很多趟，算出每次访问的平均耗时；N 超过 TLB 的项数时，耗时会突然跳高。

## 文件
| 文件 | 作用 |
|---|---|
| `timer.c` | 作业第 1 题：`clock_gettime` / `gettimeofday` 的精度有多高 |
| `tlb.c` | 测量程序：`./tlb <页数> <趟数> [选项]` |
| `run.sh` | 作业第 3 题：页数从 1 扫到 24576（×2，中间插 ×1.5 的点） |

## 怎么跑
```bash
make
./timer
./tlb 64 100000          # 访问 64 页，重复 10 万趟
./tlb 4096 2000 -p       # 指针追逐模式
./run.sh                 # 原书的 a[i] += 1 循环
./run.sh -p              # 指针追逐（测延迟，拐点更清楚）
./run.sh -s              # 按顺序访问页（默认是随机顺序）
```
`tlb` 的选项：`-c CPU` 绑定到哪个 CPU（默认 0，`-1` 不绑定）；`-s` 顺序访问；`-n` 不错开缓存行；
`-k K` 每个点重复测 K 次（默认 5），报告最小值和中位数；`-H` 允许透明大页；`-p` 指针追逐；`-q` 只输出一行。

## 作业题的对应处理
1. **计时器精度**（第 1 题）：`timer` 显示 `clock_gettime` 分辨率 1 ns，但连续两次调用本身就要约 10～20 ns；
   `gettimeofday` 只能分辨 1 µs。一次页访问只有几纳秒，所以必须把访问重复上百万次，让总时间达到毫秒级。
   `run.sh` 让每个点总共访问约 1600 万次（环境变量 `TOTAL` 可改）。
2. **防止编译器优化**（第 5 题）：数组指针声明为 `volatile int *`，每次 `a[i] += 1` 都必须真的读写内存；
   程序最后还会把数组求和并"使用"结果。用 `-O2` 编译，`objdump -d tlb` 可以确认循环还在。
3. **绑定 CPU**（第 6 题）：`sched_setaffinity` 把线程固定在一个 CPU 上（等价于 `taskset -c 0 ./tlb ...`）。
   每个核有自己的 TLB，被迁移到另一个核会让 TLB 变冷、结果出现尖峰。
4. **初始化**（第 7 题）：计时前先把每一页写一遍，把缺页和按需清零（demand zeroing）的开销挪到计时之外；
   再热身 0.2 秒，让 TLB、缓存和 CPU 频率都进入稳定状态。
5. **额外的两个陷阱**（原书没提，但在现代机器上很重要）：
   - **透明大页（THP）**：如果内核用 2MB 大页映射数组，512 个 4KB "页"只占一个 TLB 项，就测不出 TLB 大小了。
     程序用 `madvise(MADV_NOHUGEPAGE)` 禁止大页。
   - **缓存组冲突**：步长正好 4KB 时，所有访问落在 L1 缓存的同一个组里（L1 是 8 路组相联），超过 8 页就开始缓存未命中，
     和 TLB 效应混在一起。程序让第 p 页访问第 (p mod 64) 个缓存行来错开（`-n` 可关闭，自己对比一下）。
6. **指针追逐模式 `-p`**：原书的循环里各次访问互相独立，乱序执行 CPU 能同时处理多个未命中，把延迟藏起来。
   指针追逐模式让每次访问的地址取决于上一次读出的值，测到的是真正的延迟，拐点清楚得多。

## 示例结果（AMD Ryzen 7 8745H / Zen 4，WSL2，gcc 14）
你的机器上数字会不同，WSL2 下还有噪声，这里取 7 次测量的最小值：

| 页数 | a[i]+=1 (ns) | 指针追逐 (ns) | 解释 |
|---:|---:|---:|---|
| 1–64 | 0.32–0.47 | 1.26 | L1 TLB 命中 + L1 缓存命中 |
| 96–512 | 0.43–0.57 | 2.8 | 超过 L1 DTLB（72 项），第二级 TLB 命中 |
| 768–2048 | 0.53–0.56 | 5.2 | 超过 L1 数据缓存（512 行 = 32KB），是缓存效应不是 TLB |
| 3072 | 2.50 | 11.6 | 接近并超过 L2 DTLB（3072 项），开始遍历页表 |
| 8192–24576 | 5.2–5.5 | 27–38 | 几乎每次都遍历页表，页表项和数据也挤出了缓存 |

要点：第一级 TLB 的拐点（64→96 页）在指针追逐里很清楚，在原书的循环里几乎看不到；
第二级 TLB 的拐点（2048→3072 页）两种方式都很明显。L1 TLB 命中和遍历页表之间差了 10～30 倍。