缓存一致性协议MESI

从 Cache 说起

如今的多核计算机往往包含多个 CPU 核心，其中每个 CPU 有自己独立的 Cache L1、Cache L2，同时多个 CPU 共享主存。

• 由于 CPU 获取指令数据的速度远快于主存，所以通过一级缓存、二级缓存等等来降低 CPU 从主存获取数据的频率，提升性能。
• CPU 不会每需要一次数据就从主存读取一次数据，而是一次读满一个 CacheLine（大小为 2的幂次方，16B ~ 256B）。
• 如果 CPU 访问 Cache发现数据不存在，就会触发 Cache Miss，需要从主存加载数据。此时 CPU 必须等待；
• 如果 Cache Miss 触发需要替换现有 Cache 中的数据，而此时 Cache 正好满载，就会触发 Capicity Miss；在这之后又访问了 Cache Line，就会触发 Associativity Miss。

MSI协议

现在有两个CPU，假设 CPU-1 更改了自己 cacheline 中变量值时，其它也拥有这个共享变量的 cacheline 的 CPU-2 会执行 write invalidate 操作，就是将自己的 cacheline 状态置为 invalid，这样如果再次访问这个 cacheline，就需要刷新 CPU-1 的 cacheline 值到内存，同时 CPU-2 重新访问内存获取最新值并保存到 cacheline。

MSI 协议的名称是指 cacheline 可能处于的状态（Modified、Shared、Invalid）。

当一些 CPU 从内存读取数据到自己的 cacheline，这些 CPU 中这些 cacheline 数据都是一致的，cacheline 处于 shared状态。

如果 P2 将 cacheline 中变量修改为13，P2-cacheline 的状态就会变为 Modified 状态，其它 CPU-cahceline 状态变为 invlidate。

此时 P1 试图读取 cacheline 中数据，由于是 invalidate 状态，就会触发 read-miss。P2 会将自己 cacheline 中的数据写回到内存，供 P1 从内存读取最新值，读取完毕后 P1-cacheline、P2-cacheline 都会变为 Shared 状态。

上面讨论的是读写操作，如果是写写操作，P1-cacheline 会由 Shared——>Modified 状态；其它 CPU-cacheline 会由 Shared——>Invalidate 状态。

总的来说无论什么时候，某个内存位置和它对应的 cacheline 中，最多只有一个 CPU-cacheline 可以处于 Modified 状态，它代表着最新的数据。

MESI协议

在 MSI 协议的基础上，又出现了 MESI 协议，新增了 Exclusive 状态，各状态含义解释如下：

• Modified：这行数据有效，数据被修改了，和内存中数据不一致，数据只存在于本 Cache中；
• Exclusive：这行数据有效，数据和内存中一直，数据只存在于本 Cache中；
• Shared：这行数据有效，数据和内存中一致，数据存在于多个 Cache中；
• Ivalid：数据无效；

• E 状态：

• S 状态：

• M 和 I 状态：

MESI状态变迁

• local-read：本内核读取本 Cache 中值；
• local-write：本内核写本 Cache 中值；
• remote-read：其它内核读其它 Cache 中值；
• remote-write：其它内核写其它 Cache 中值；