ダイレクトマップ、フルアソシアティブ、セットアソシアティブとは？キャッシュメモリの割り当て方式について初心者向けに画像多めで解説！

キャッシュメモリは、CPUがよく使うデータを一時的に置いておく、高速なメモリのことだよ。

CPUはすごく速いけど、メインメモリから毎回データを取ってくると少し待たされる。
だから、よく使うデータをCPUの近くにある速い場所、つまりキャッシュメモリに置いておくんだ。

まぁそうだね。SSDやHDDといった補助記憶装置→メインメモリ→キャッシュの順で読み込みが早くなるということだね。

メインメモリ上のデータを、キャッシュメモリのどこに置くかを決めるルールのことだよ。

そう。
キャッシュメモリは容量が小さいから、何でも自由に置けるわけじゃない。
だから、データをどの場所に入れるかのルールが必要になるんだ。

代表的な方式はこの3つ。

いいね。そういうことだよ。

ダイレクトマッピング方式は、
メインメモリのデータを置けるキャッシュの場所が、あらかじめ1か所に決まっている方式だよ。

そう。
たとえば、あるデータはキャッシュの3番にしか置けない、別のデータは5番にしか置けない、みたいな感じ。

その通り。
場所を探すのは速いけど、同じ場所に置きたいデータが重なると、すぐ入れ替えが起きる。
つまり、まだ使うかもしれないデータでも、
別のデータが同じ場所に来ると追い出されてしまうことがあるんだ。

学校の下駄箱で例えるとわかりやすいよ。

出席番号ごとに下駄箱の場所が決まっているイメージだね。

1番の人 → 1番の下駄箱
2番の人 → 2番の下駄箱
3番の人 → 3番の下駄箱

そう。
でも、もし何かの都合で同じ場所を使いたいものが重なると、片方をどかすしかない。

いいね。誰が使用するか決まっているよ。

フルアソシアティブ方式は、
メインメモリのデータをキャッシュ内のどこにでも置ける方式だよ。

そうだよ。
空いている場所ならどこでも置ける。

便利ではある。
同じ場所に集中して追い出し合うことは起きにくい。
でも問題もあるよ。
データを探すときに、キャッシュ全体を探す必要があるんだ。

そう。
自由度は高いけど、検索の仕組みが複雑になりやすい。

図書館の空いている席で例えてみようか。

そう。
それがフルアソシアティブ方式の感覚に近い。

うん。
「フル」だから全部の場所が候補、って覚えるといいよ。

セットアソシアティブ方式は、
キャッシュをいくつかのグループに分けて、そのグループ内ならどこにでも置ける方式だよ。

そう。
ダイレクトマッピングほど場所が固定されすぎず、
フルアソシアティブほど自由すぎない。

実際のキャッシュでは、このセットアソシアティブ方式がよく使われるよ。
完全自由にすると探す仕組みが複雑になりすぎる。
でも、完全指定席にすると入れ替えが多くなりやすい。
だから、その中間であるセットアソシアティブ方式が使われやすいんだ。

教室の座席で例えるなら、
「班は決まっているけど、班の中ならどこに座ってもいい」感じ。

A班の人 → A班の席の中なら自由
B班の人 → B班の席の中なら自由
C班の人 → C班の席の中なら自由
ってことだね。

3つの違いをまとめるとこんな感じ。

まとめるとこんな感じだね。
キャッシュメモリの割り当て方式とは、
メインメモリのデータをキャッシュのどこに置くかを決める方法。