cache 一致性解密

实际上，CPU Cache 里的最小存储单元就是 Cache Line，Intel CPU的一个 Cache Line 存储 64 个字节，每一级 Cache 都被划分为很多组 Cache Line，典型的情况是4 条 Cache Line 为一组，当 Cache 从 Memory 中加载数据时，一次加载一条 Cache Line 的数据。下图给出了 Cache 的结构。

每个 Cache Line 的头部有两个 Bit 来表示自身的状态，总共有 4 种状态。

• M（Modified）：修改状态，其他 CPU 上没有数据的副本，并且在本 CPU 上被修改过，
  与存储器中的数据不一致，最终必然会引发系统总线的写指令，将 Cache Line 中的数
  据写回到 Memory 中。
• E（Exclusive）：独占状态，表示当前 Cache Line 中包含的数据与 Memory 中的数据一
  致，此外，其他 CPU 上没有数据的副本。
• S（Shared）：共享状态，表示 Cache Line 中包含的数据与 Memory 中的数据一致，而且
  在当前 CPU 和至少在其他某个 CPU 中有副本。
• I（Invalid）：无效状态，当前 Cache Line 中没有有效数据或者该 Cache Line 数据已经失
  效，不能再用，当 Cache 要加载新数据时，优先选择此状态的 Cache Line，此外，Cache
  Line 的初始状态也是 I 状态。

状态	cacheline 数据是否有效	其他cpu核 中是否有副本	cache 数据是否被正在被修改	cache 数据是否与Memory 中的数据一致
M（Modified）	1	0	1	不定，大概率是一致的
E（Exclusive）	1	0	0	1
S（Shared）	1	1	0	1
I（Invalid）	0	不定	不定	不定

MESI 协议是用 Cache Line 的上述 4 种状态命名的，对 Cache 的读写z操作引发了 Cache Line的状态变化，因而可以理解为一种状态机模型。但 MESI 的复杂和独特之处在于状态有两种视角：一种是当前读写操作（Local Read/Write）所在 CPU 看到的自身的 Cache Line 状态及其他CPU 上对应的 Cache Line 状态；另一种是一个 CPU 上的 Cache Line 状态的变迁会导致其他 CPU上对应的 Cache Line 的状态变迁。如下所示为 MESI 协议的状态图

• （1）结合这个状态图，我们深入分析 MESI 协议的一些实现细节。 ##### （1）某个 CPU（CPU A）发起本地读请求（Local Read），比如读取某个内存地址的变量，如果此时所有 CPU 的 Cache 中都没加载此内存地址，即此内存地址对应的 Cache Line 为无效状态（Invalid），则 CPU A 中的 Cache 会发起一个到 Memory 的内存 Load 指令，在相应的 Cache Line中完成内存加载后，此 Cache Line 的状态会被标记为 Exclusive。接下来，如果其他 CPU（CPU B）在总线上也发起对同一个内存地址的读请求，则这个读请求会被 CPU A 嗅探到（SNOOP），然后 CPU A 在内存总线上复制一份 Cache Line 作为应答，并将自身的 Cache Line 状态改为Shared，同时 CPU B 收到来自总线的应答并保存到自己的 Cache 里，也修改对应的 Cache Line状态为 Shared。

• (2）某个 CPU（CPU A）发起本地写请求（Local Write），比如对某个内存地址的变量赋值，如果此时所有 CPU 的 Cache 中都没加载此内存地址，即此内存地址对应的 Cache Line 为无效状态（Invalid），则 CPU A 中的 Cache Line 保存了最新的内存变量值后，其状态被修改为 Modified。随后，如果 CPU B 发起对同一个变量的读操作（Remote Read），则 CPU A 在总线上嗅探到这个读请求以后，先将 Cache Line 里修改过的数据回写（Write Back）到 Memory 中，然后在内存总线上复制一份 Cache Line 作为应答，最后将自身的 Cache Line 状态修改为 Shared，由此产生的结果是 CPU A 与 CPU B 里对应的 Cache Line 状态都为 Shared。

• (3)以上面第 2 条内容为基础，CPU A 发起本地写请求并导致自身的 Cache Line 状态变为Modified，如果此时 CPU B 发起同一个内存地址的写请求（Remote Write），则我们看到状态图里此时 CPU A 的 Cache Line 状态为 Invalid，其原因如下。CPU B 此时发出的是一个特殊的请求——读并且打算修改数据，当 CPU A 从总线上嗅探到这个请求后，会先阻止此请求并取得总线的控制权（Takes Control of Bus），随后将 Cache Line里修改过的数据回写道 Memory 中，再将此 Cache Line 的状态修改为 Invalid（这是因为其他CPU 要改数据，所以没必要改为 Shared）。与此同时，CPU B 发现之前的请求并没有得到响应，于是重新发起一次请求，此时由于所有 CPU 的 Cache 里都没有内存副本了，所以 CPU B的 Cache 就从 Memory 中加载最新的数据到 Cache Line 中，随后修改数据，然后改变 Cache Line的状态为 Modified。

• （4）如果内存中的某个变量被多个 CPU 加载到各自的 Cache 中，从而使得变量对应的 Cache Line 状态为 Shared，若此时某个 CPU 打算对此变量进行写操作，则会导致所有拥有此变量缓存的 CPU 的 Cache Line 状态都变为 Invalid，这是引发性能下降的一种典型 Cache Miss 问题

当前状态	CPU(A) 发起本请求类别	下一个状态	CPU(B) 发起本请求类别	再下一个状态	备注
Invalid	Read -->>	Exclusive	read -->>	Shared
Invalid	Write -->>	Modified	read -->>	Shared
Invalid	Write -->>	Modified	Write -->>	Invalid(原因是不能同时写，要加锁，和数据库一样)	CPU B 发现之前的请求并没有得到响应，于是重新发起一次请求
Shared	Write -->>	Invalid	引发性能下降的一种典型 Cache Miss 问题

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