因此，切换后的进程刚开始执行的时候，将会由于大量的cache miss导致性能损失。所以，VIVT高速缓存明显的缺点之一就是经常需要flush cache以保证歧义不会发生，最终导致性能的损失。

5.1.2 别名(alias)

当不同的虚拟地址映射相同的物理地址，而这些虚拟地址的index不同，此时就发生了别名现象(多个虚拟地址被称为别名)。通俗点来说就是指同一个物理地址的数据被加载到不同的cacheline中就会出现别名现象。 考虑这样的一个例子。虚拟地址0x1000和0x4000都映射到相同的物理地址0xa000。这意味着进程既可以从0x1000读取数据，也能从地址0x4000读取数据。假设系统使用的是直接映射VIVT高速缓存，cache更新策略采用写回机制，并且使用虚拟地址的位<15...4>作为index。那么虚拟地址0x1000和虚拟地址0x4000的index分别是0x100和0x400。这意味同一个物理地址的数据会加载到不同的cacheline。假设物理地址0xa000存储的数据是0x55aa。程序先访问0x1000把数据0x55aa加载到第0x100(index)行cacheline中。接着访问0x4000，会将0x55aa再一次的加载到第0x400(index)行cacheline中。现在程序将0x1000地址数据修改成0xaaff，由于采用的是写回策略，因此修改的数据依然保留在cacheline中，并未刷回主存。当程序试图访问0x4000的时候由于cache hit导致读取到旧的数据0x55aa。这就造成了数据不一致现象，这不是我们想要的结果。可以选择下面的方法避免这个问题。

别名的规避方法
??针对共享数据所在页的映射方式采用nocache映射。例如上面的例子中，0x1234和0x5678映射物理地址0xa000的时候都采用nocache的方式，这样不通过cache的访问，肯定可以避免这种问题。但是这样就损失了cache带来的性能好处。这种方法既适用于不同进程共享数据，也适用于同一个进程共享数据。
??如果是不同进程之间共享数据，还可以在进程切换时主动flush cache(使主存储器有效和使高速缓存无效)的方式避免别名现象。但是，如果是同一个进程共享数据该怎么办？除了nocache映射之外，还可以有另一种解决方案。这种方法只针对直接映射高速缓存，并且使用了写分配机制有效。在建立共享数据映射时，保证每次分配的虚拟地址都索引到相同的cacheline。这种方式，后面还会重点说。

5.2 物理高速缓存(PIPT)

??通过对VIVT高速缓存的了解，可以知道VIVT高速缓存存在歧义和名别两大问题。主要问题原因是：tag取自虚拟地址导致歧义，index取自虚拟地址导致别名。所以，如果想让操作系统少操心，最简单的方法是tag和index都取自物理地址。物理的地址tag部分是独一无二的，因此肯定不会导致歧义。而针对同一个物理地址，index也是唯一的，因此加载到cache中也是唯一的cacheline，所以也不会存在别名。我们称这种cache为物理高速缓存，简称PIPT(Physically Indexed Physically Tagged)。PIPT工作原理如下图所示：

??CPU发出的虚拟地址经过MMU转换成物理地址，物理地址发往cache控制器查找确认是否命中cache。虽然PIPT方式在软件层面基本不需要维护，但是硬件设计上比VIVT复杂很多。因此硬件成本也更高。同时，由于虚拟地址每次都要翻译成物理地址，因此在查找性能上没有VIVT方式简洁高效，毕竟PIPT方式需要等待虚拟地址转换物理地址完成后才能去查找cache。而且，为了加快MMU翻译虚拟地址的速度，硬件上也会加入一块cache，作用是缓存虚拟地址和物理地址的映射关系，这块cache称之为TLB(Translation Lookaside Buffer)。当MMU需要转换虚拟地址时，首先从TLB中查找，如果cache hit，则直接返回物理地址。如果cache miss则需要MMU查找页表。这样就加快了虚拟地址转换物理地址的速度。如果系统采用的PIPT的cache，那么软件层面基本不需要任何的维护就可以避免歧义和别名问题。这是PIPT最大的优点。现在的CPU很多都是采用PIPT高速缓存设计。在Linux内核中，可以看到针对PIPT高速缓存的管理函数都是空函数，无需任何的管理。

5.3 物理标记的虚拟高速缓存(VIPT)

??为了提升cache查找性能，通常不想等到虚拟地址转换物理地址完成后才去查找cache。因此，可以使用虚拟地址对应的index位查找cache，与此同时(硬件上同时进行)将虚拟地址发到MMU转换成物理地址。当MMU转换完成，同时cache控制器也查找完成，此时比较cacheline对应的tag和物理地址tag域，以此判断是否命中cache。我们称这种高速缓存为物理标记的虚拟高速缓存VIPT(Virtually Indexed Physically Tagged)。

??VIPT以物理地址部分位域作为tag，因此不会存在歧义问题。但是，采用了虚拟地址作为index，所以可能依然存在别名问题。是否存在别名问题，需要考虑cache的结构，我们需要分情况考虑。

5.3.1 VIPT Cache什么情况不存在别名

我们知道VIPT的优点是查找cache和MMU转换虚拟地址同时进行，所以性能上有所提升。歧义问题虽然不存在了，但是别名问题依旧可能存在，那么什么情况下别名问题不会存在呢？Linux系统中映射最小的单位是页，页大小通常有4KB、16KB、64KB。本小节以4KB页大小为例，此时虚拟地址和其映射的物理地址的位<11...0>是一样的。

• 针对直接映射高速缓存，如果 cache的size小于等于4KB，这就意味着无论使用虚拟地址还是物理地址的低位查找cache结果都是一样的，因为虚拟地址和物理地址对应的index是一样的。这种情况，VIPT实际上相当于PIPT，软件维护上和PIPT一样。
• 如果是一个四路组相连高速缓存,只要满足 一路的cache的大小小于等于4KB，那么VIPT方式的cache也不会出现别名问题。

5.3.2 VIPT Cache的别名问题