科普：CPU緩存一致性協(xié)議
CPU為何要有高速緩存
CPU在摩爾定律的指導(dǎo)下以每18個月翻一番的速度在發(fā)展，然而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及CPU。這就造成了高性能能的內(nèi)存和硬盤價格及其昂貴。然而CPU的高度運算需要高速的數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，CPU廠商在CPU中內(nèi)置了少量的高速緩存以解決IO速度和CPU運算速度之間的不匹配問題。
在CPU訪問存儲設(shè)備時，無論是存取數(shù)據(jù)抑或存取指令，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)域中，這就被稱為局部性原理。
時間局部性（Temporal Locality）：如果一個信息項正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。
比如循環(huán)、遞歸、方法的反復(fù)調(diào)用等。
空間局部性（Spatial Locality）：如果一個存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會被引用。
比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個對象、數(shù)組等。
帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計算的流程
程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存
指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存
CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存
高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存
目前流行的多級緩存結(jié)構(gòu)
由于CPU的運算速度超越了1級緩存的數(shù)據(jù)IO能力，CPU廠商又引入了多級的緩存結(jié)構(gòu)。
多級緩存結(jié)構(gòu)
多核CPU多級緩存一致性協(xié)議MESI
多核CPU的情況下有多個一級緩存，如何保證緩存內(nèi)部數(shù)據(jù)的一致,不讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。這里就引出了一個一致性的協(xié)議MESI。
緩存一致性協(xié)議MESI
MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）(也稱為伊利諾斯協(xié)議，是因為該協(xié)議由伊利諾斯州立大學(xué)提出）是一種廣泛使用的支持寫回策略的緩存一致性協(xié)議。
MESI協(xié)議中的狀態(tài)
CPU中每個緩存行（caceh line)使用4種狀態(tài)進行標(biāo)記（使用額外的兩位(bit)表示):
M: 被修改（Modified)
該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，并且是被修改過的（dirty),即與主存中的數(shù)據(jù)不一致，該緩存行中的內(nèi)存需要在未來的某個時間點（允許其它CPU讀取請主存中相應(yīng)內(nèi)存之前）寫回（write back）主存。
當(dāng)被寫回主存之后，該緩存行的狀態(tài)會變成獨享（exclusive)狀態(tài)。
E: 獨享的（Exclusive)
該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，它是未被修改過的（clean)，與主存中數(shù)據(jù)一致。該狀態(tài)可以在任何時刻當(dāng)有其它CPU讀取該內(nèi)存時變成共享狀態(tài)（shared)。
同樣地，當(dāng)CPU修改該緩存行中內(nèi)容時，該狀態(tài)可以變成Modified狀態(tài)。
S: 共享的（Shared)
該狀態(tài)意味著該緩存行可能被多個CPU緩存，并且各個緩存中的數(shù)據(jù)與主存數(shù)據(jù)一致（clean)，當(dāng)有一個CPU修改該緩存行中，其它CPU中該緩存行可以被作廢（變成無效狀態(tài)（Invalid））。
I: 無效的（Invalid）
該緩存是無效的（可能有其它CPU修改了該緩存行）。
MESI狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系也可以使用下表進行表示。
操作
在一個典型系統(tǒng)中，可能會有幾個緩存（在多核系統(tǒng)中，每個核心都會有自己的緩存）共享主存總線，每個相應(yīng)的CPU會發(fā)出讀寫請求，而緩存的目的是為了減少CPU讀寫共享主存的次數(shù)。
一個緩存除在Invalid狀態(tài)外都可以滿足cpu的讀請求，一個Invalid的緩存行必須從主存中讀取（變成S或者 E狀態(tài)）來滿足該CPU的讀請求。
一個寫請求只有在該緩存行是M或者E狀態(tài)時才能被執(zhí)行，如果緩存行處于S狀態(tài)，必須先將其它緩存中該緩存行變成Invalid狀態(tài)（也既是不允許不同CPU同時修改同一緩存行，即使修改該緩存行中不同位置的數(shù)據(jù)也不允許）。該操作經(jīng)常作用廣播的方式來完成，例如：RequestFor Ownership (RFO)。
緩存可以隨時將一個非M狀態(tài)的緩存行作廢，或者變成Invalid狀態(tài)，而一個M狀態(tài)的緩存行必須先被寫回主存。
一個處于M狀態(tài)的緩存行必須時刻監(jiān)聽所有試圖讀該緩存行相對就主存的操作，這種操作必須在緩存將該緩存行寫回主存并將狀態(tài)變成S狀態(tài)之前被延遲執(zhí)行。
一個處于S狀態(tài)的緩存行也必須監(jiān)聽其它緩存使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，并將該緩存行變成無效（Invalid）。
一個處于E狀態(tài)的緩存行也必須監(jiān)聽其它緩存讀主存中該緩存行的操作，一旦有這種操作，該緩存行需要變成S狀態(tài)。
對于M和E狀態(tài)而言總是精確的，他們在和該緩存行的真正狀態(tài)是一致的。而S狀態(tài)可能是非一致的，如果一個緩存將處于S狀態(tài)的緩存行作廢了，而另一個緩存實際上可能已經(jīng)
獨享了該緩存行，但是該緩存卻不會將該緩存行升遷為E狀態(tài)，這是因為其它緩存不會廣播他們作廢掉該緩存行的通知，同樣由于緩存并沒有保存該緩存行的copy的數(shù)量，因此（即使有這種通知）也沒有辦法確定自己是否已經(jīng)獨享了該緩存行。
從上面的意義看來E狀態(tài)是一種投機性的優(yōu)化：如果一個CPU想修改一個處于S狀態(tài)的緩存行，總線事務(wù)需要將所有該緩存行的copy變成Invalid狀態(tài)，而修改E狀態(tài)的緩存不需要使用總線事務(wù)。
參考:
計算機體系結(jié)構(gòu)（第五版）－復(fù)習(xí)－MESI&MOESI協(xié)議
https://www.cnblogs.com/yanlong300/p/8986041.html
https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html
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