perf_event 报告意外的缓存未命中量：访问数组中的 N 个元素会导致 2N 次缓存未命中

Question

我正在尝试调查访问数组元素和缓存未命中之间的关系。我写了以下代码。

#include <asm/unistd.h>
#include <linux/perf_event.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

#include <inttypes.h>

static long perf_event_open(struct perf_event_attr *hw_event, pid_t pid,
                int cpu, int group_fd, unsigned long flags) {
    int ret;
    ret = syscall(__NR_perf_event_open, hw_event, pid, cpu,
                  group_fd, flags);
    return ret;
}

int main(int argc, char **argv) {
    struct perf_event_attr pe;
    long long count;
    int fd;
    char *chars, c;

    uint64_t n = 100000000;
    int step = 64;
    if (argc > 1) {
        step = atoi(argv[1]);
    }

    chars = malloc(n * sizeof(char));

    memset(&pe, 0, sizeof(struct perf_event_attr));
    pe.type = PERF_TYPE_HW_CACHE;
    pe.size = sizeof(struct perf_event_attr);
    pe.config = PERF_COUNT_HW_CACHE_L1D |
                PERF_COUNT_HW_CACHE_OP_READ << 8 |
                PERF_COUNT_HW_CACHE_RESULT_MISS << 16;
    pe.disabled = 1;
    pe.exclude_kernel = 1;
    pe.exclude_hv = 1;

    fd = perf_event_open(&pe, 0, -1, -1, 0);
    if (fd == -1) {
        fprintf(stderr, "Error opening leader %llx\n", pe.config);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        chars[i] = 1;
    }


    ioctl(fd, PERF_EVENT_IOC_RESET, 0);
    ioctl(fd, PERF_EVENT_IOC_ENABLE, 0);

    // Read from memory
    for (size_t i = 0; i < n; i += step) {
        c = chars[i];
    }

    ioctl(fd, PERF_EVENT_IOC_DISABLE, 0);
    read(fd, &count, sizeof(long long));

    printf("%lld\n", count);

    close(fd);
    free(chars);
}

很容易知道，只有数组chars中的n/step元素被访问并赋值给c。如果步长大于缓存行（通常为 64），我认为缓存未命中的数量应该是 n/step。 step小的时候没有问题，即打印的count数约为n/step。然而，如果 step 是一个很大的数字，例如 1000000，count 大约等于 2n/step。这让我困惑了很长时间。谁能解释一下这个奇怪的结果？