【多线程】MESI--CPU缓存一致问题

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MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）也称伊利诺斯协议（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。Intel使用的协议。还有MSI，MOSI，FireFly等协议。

MESI协议中的状态

CPU中每个缓存行使用四种状态标记（2bit）
M: 被修改（Modified)。内容已不同于主存并且为此cache专有；
E: 独享的（Exclusive)。此cache行内容同于主存，但不出现于其它cache中；
S：共享的（Shared）。此cache行内容同于主存，但也出现于其它cache中；
I：无效的（Invalid）。此cache行内容无效。

当前状态为M：

  • Local Read 从cache中取数据，状态不变

  • Local Write 修改cache中数据，状态不变
    注：本身就是M，不论是否对数据修改，这个cache line 始终处于被改变状态。

  • Remote Read 先将数据写入内存，由于需要让其他核能拿到最新数据，状态-->S

  • Remote Write 先将这条数据写入内存，由于之后其他Core会修改这条数据，状态-->I

当前状态为E：

  • Local Read 从cache中取数据，状态不变
  • Local Write 修改cache中数据，状态-->M
  • Remote Read 由于需要让其他核能拿到数据，状态-->S
  • Remote Write 数据被修改，本缓存行不能再使用，状态-->I

当前状态为S：

  • Local Read 从cache中取数据，状态不变

  • Local Write 修改cache中数据，在本CPU中状态-->M，在其他核共享的Cache line状态-->I
    注：Local Write后，其他共享核在使用这个cache line前需要重新从内存中读取。

  • Remote Read 已经处于共享态了，所以状态不变

  • Remote Write 数据被修改，本cache line不能再使用，状态-->I

当前状态为I：

  • Local Read
    如果其他Cache没有这份数据，本cache从该内存中读出数据，状态-->E
    如果其他Cache有这份数据，状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中读取数据，两个cache的cache line状态-->S；
    如果其他Cache有这份数据，状态为S或E，本cache从内存中取出数据，这些cache的cache line状态-->S
  • Local Write 从内存中取数据，在Cache中修改，状态-->M。如果其他Cache有这份数据，它们的cache line状态-->I；如果其他Cache有这份数据，切状态为M，要先将数据更新到内存。
  • Remote Read 因为是Invalid，别的核操作与它无关
  • Remote Write 因为是Invalid，别的核操作与它无关