并发编程之CPU缓存一致性协议MESI

1、一致性问题的产生

在多核CPU情况下，每个CPU都有自己的一、二级缓存，在多核处理的情况下，如果一方修改了CPU中已经缓存的东西，而又没有通知已经读取到该cache line的另一方，就会导致两边信息不一致。

2、缓存一致性协议MESI

MESI(Modified Exclusive Shared or Invalid)（也成为伊利诺斯协议，是因为该协议由伊利诺斯州立大学提出）是一种广泛使用的支持写回策略的缓存一致性协议。

3、MESI协议中的状态

CPU中每个缓存行(cache line)使用4种状态进行标记（cache line中使用额外的两位(bit)标识）

M:被修改(Modified)

该缓存行被缓存在该CPU中，并且是被修改过的(dirty)（此时其他CPU中该缓存行和主存中该缓存行的状态都是无效的(invalid)），与主存中的数据不一致，该缓存行中的数据需要在未来某个时间点(允许其他CPU读取主存中相应的内容之前)写回(write back)主存。

当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享(exclusive)状态。

E:独享的(Exclusive)

该缓存行只被缓存在该CPU中，它是未被修改过的，与主存中数据一致。该状态可以在任何时候当有其他CPU读取主存中该缓存行时，变成共享状态(shared)。

S:共享的(Shared)

该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致，当有一个CPU修改对应缓存行后，其他CPU中对应的该缓存行被作废（变成无效状态invalid）。

I:无效的(Invalid)

该缓存行是无效的（可能有其他CPU修改了该缓存行），不能被其他CPU读取，并使用，需要修改该cache line对应的CPU写回数据后方可重新访问。

4、MESI状态流转

MESI状态之间的迁移过程如下：

说明：

Local Read:表示本内核读取本cache line的值；

Local Write:表示本内核写本cache line的值；

Remote Read:标识其他内核读取其他cache line的值；

Remote Write:标识其他内核写其他cache line的值。

下图示意了，当一个cache line的调整的状态的时候，另外一个cache line 需要调整的状态。

举个例子来说：

假设在主存中有cache line，有一个变量m=1,如下图

CPU-A 发出了一条读取指令，从主存中读取m，从主存中通过bus读取到内核缓存，因为当前只有CPU-A拥有该缓存行，且数据状态一致，所以在CPU-A中，该缓存行状态是E，并且主存中的缓存行可以被其他内核读取。

此时CPU-B发出了一条读取指令，从主存中读取m，CPU-B从主存中读取m时，CPU-A监听到了这个操作，此时CPU-A和CPU-B中该缓存行的状态即为S(数据与主存中的状态一致)

假设此时CPU-A对m进行计算，此时CPU-A将缓存行设置成M(修改)，并通知CPU-B，CPU-B中此时该缓存行的状态是I(无效状态)，并且主存中该缓存行的状态也是无效状态，不能被读取和操作。

CPU-A修改完数据后，CPU-B需要使用最新的数据，CPU-B发出读取指令后，CPU-A在某个时刻将数据写回到主存，在CPU-A中该缓存行状态由M变为S，并且主存中该缓存行数据变为有效，此时CPU-B再去读取一遍，此时CPU-B中该缓存行数据变为S。