基本情報技術者 2013年 秋期 午前（科目A） 問10

キャッシュミスの処理【午前解説】

正解の理由

解法ステップ

1. 問題が扱う対象を確認：プロセッサにデータを読み込む時の「キャッシュメモリにヒットしなかった場合」→キャッシュミスの処理。
2. メモリ階層を思い出す：CPU ← キャッシュ ←→ 主記憶 ←→ 二次記憶（磁気ディスク）という順序。
3. ミス時の典型的な動作を選ぶ：キャッシュは主記憶からブロックを読み込み補充する。
4. 選択肢に磁気ディスクや「ディスクキャッシュ」が出てきたら、層の違いで除外する。

選択肢別の誤答解説

• ア: キャッシュメモリから所要のデータをブロック転送し、磁気ディスクに書き込む。
  誤り。キャッシュの書き戻し（write-back）は主記憶への書き戻しであり、通常CPUキャッシュが直接磁気ディスクへ書き込むことはない。ディスクへの書き込みはさらに上位の処理（OSのページスワップなど）で行われる。
• イ: 磁気ディスクから所要のデータをブロック転送し、キャッシュメモリに読み込む。
  誤り。直接ディスクからキャッシュへフェッチするのは一般的なCPUキャッシュの操作ではない。通常はまず主記憶から読み出してキャッシュを補充する。ディスク→主記憶→キャッシュの順が実務的。
• ウ: 主記憶から所要のデータをブロック転送し、キャッシュメモリに読み込む。
  正しい。キャッシュミス時には主記憶（メインメモリ）からキャッシュライン（ブロック）を読み込み、キャッシュに格納してCPUに提供する。
• エ: ディスクキャッシュから所要のデータをブロック転送し、主記憶に読み込む。
  誤り。用語の混同がある。OSやストレージコントローラにおける「ディスクキャッシュ（バッファキャッシュ）」はディスクブロックのキャッシュであり、主記憶と二次記憶の間で働く。設問はCPUキャッシュのミス処理について問うているため不適切。

よくある誤解

• キャッシュの書き戻し（write-back）で直接ディスクに書くと思い込むこと。実際はwrite-backはキャッシュ→主記憶への書き戻しであり、ディスク書き込みは別の層の処理（ページスワップやファイルシステムのフラッシュ）で行われます。
• 「キャッシュミス＝ディスクアクセス」と考えること。多くのミスは主記憶からのフェッチで解決され、ディスクアクセスは仮想記憶でページフォルトが発生した場合の話です。
• ディスクキャッシュの役割をCPUキャッシュと混同すること。用途と位置が異なるため区別して考えます。

補足コラム

• キャッシュのフェッチ単位は「キャッシュライン」や「ブロック」と呼ばれ、通常数十〜数百バイト単位です。キャッシュミス時にはその単位で主記憶から一括転送されます。
• 書き込みポリシー：write-through（書き込みを直ちに主記憶にも反映）とwrite-back（遅延して主記憶に書き戻す）があり、性能と一貫性のトレードオフがあります。
• 仮想記憶のページフォルトが発生した場合は、必要ページを磁気ディスク（スワップ領域やページファイル）から主記憶へ読み込む処理が行われるため、キャッシュ制御とは別にOSの介在が必要です。

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