MESI缓存一致性协议

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1. MESI缓存一致性协议

现代处理器的缓存一般分为三级，由每一个核心独享的L1、L2 Cache，以及所有的核心共享L3 Cache组成，具体每个cache，实际上是有很多缓存行组成：

缓存一致性协议给缓存行（通常为64字节）定义了个状态：独占（exclusive）、共享（share）、修改 （modified）、失效（invalid），用来描述该缓存行是否被多处理器共享、是否修改。所以缓存一致性协议也称 MESI协议。

• 独占（exclusive）：仅当前处理器拥有该缓存行，并且没有修改过，是最新的值。

• 共享（share）：有多个处理器拥有该缓存行，每个处理器都没有修改过缓存，是最新的值。

• 修改（modified）：仅当前处理器拥有该缓存行，并且缓存行被修改过了，一定时间内会写回主存，会写成功状态会变为S。

• 失效（invalid）：缓存行被其他处理器修改过，该值不是最新的值，需要读取主存上最新的值。

协议协作如下：

• 一个处于M状态的缓存行，`必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。

• 一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。

• 一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S。

• 当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取，并把自己状态变成S，如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取。

• 当CPU需要写数据时，只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行，否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，这是一种总线事务)，通知其他CPU置缓存无效(I)，这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为M。

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