硬件层缓存一致性协议
硬件层缓存一致性
一、缓存行
在讲缓存一致性之前，我们先来说一下缓存行的概念
缓存是分段（line）的，一个段对应一块存储空间，称为缓存行，它是CPU缓存中可分配的最小存储单元，大小为32、64、128字节不等，与CPU的架构有关，通常为64字节。当CPU看到一条读取内存的指令时，它会把内存地址传递给一级数据缓存，一级数据缓存会检查它是否有这个内存地址对应的缓存段，如果没有就把整个缓存段从内存（或高一级的缓存）中加载进来。
二、什么是缓存一致性
缓存一致性（cache coherence）是一种保证存储在多个缓存中的共享资源数据相同的机制。缓存不一致，是指相同数据在不同的缓存中呈现出不同的表现。
缓存不一致的问题，在多核CPU的系统中，比较容易出现。假设主存有一个x，值为5。核0和核3都从主存中加载x到缓存。此时核0更改x的值为8。此时核3的缓存中的x的值还是5，数据出现了不一致。
二、如何保证缓存一致性
缓存一致性的协议有多种，嗅探（snooping）协议比较常用，它的基本思想是：所有的内存传输都发生在一条共享的总线上，所有的处理器都能看到这条总线。缓存本身是独立的，但是内存是共享资源，所有的内存访问都要经过仲裁（同一个指令周期中，只有一个CPU缓存可以读写内存）。
CPU缓存不仅仅在做内存传输时才和总线打交道，而是不停在嗅探总线上发生的数据交换，跟踪其他缓存在做什么。当一个缓存行代表它的处理器去读写内存时，其他处理器都会得到通知，它们以此来使自己的缓存保持同步。只要某个处理器一写内存，其他处理器马上知道这块内存在它们的缓存中已失效。
1、MESI协议
MESI协议是当前最主流的缓存一致性协议，在MESI协议中，每个缓存行有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是：
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| M（Modified） | 这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在本cache中 |
| E（Exclusive） | 这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本cache中 |
| S（Shared） | 这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于多个cache中 |
| I（Invalid） | 这行数据无效 |
只有当缓存行处于E或M状态，处理器才能去写它，也就是说只有在这两种状态下，处理器是独占这个缓存行的。
当处理器想要写某个缓存行时，如果它没有独占权，必须发送一条“我要独占权”的请求给总线，这会通知其他处理器把它们拥有的同一缓存行的拷贝失效。只有在获得独占权之后，处理器才能开始修改数据。并且此时这个处理器知道，这个缓存行只有一份拷贝，在我自己的缓存里，所以不会有冲突
反之，如果其他处理器想要读取这个缓存行（马上就能知道，因为一直在嗅探总线），独占或者修改状态的缓存行必须先回到共享状态。如果是已修改的缓存行，那么还要先把内容写回到内存中。
看懂了下图，就看懂了MESI协议
参考资料