缓存一致性协议

缓存一致性协议

操作系统的CPU和内存并不是直接交互操作的。我们的CPU有一级缓存，CPU直接操作一级缓存，由一级缓存和内存进行交互。
当然，有的CPU有二级缓存，甚至三级缓存等。实际上，大概二十年前，一级缓存是直接和内存交互的，现在，一般是二级缓存和内存直接通讯。

每个CPU都有一级缓存，但是，我们却无法保证每个CPU的一级缓存数据都是一样的。
所以同一个程序，CPU进行切换的时候，切换前和切换后的数据可能会有不一致的情况。那么这个就是一个很大的问题了。
如何保证各个CPU缓存中的数据是一致的。就是CPU的缓存一致性问题。

一种处理一致性问题的办法是使用Bus Locking（总线锁）。当一个CPU对其缓存中的数据进行操作的时候，往总线中发送一个Lock信号。
这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。

但是用锁的方式总是避不开性能问题。总线锁总是会导致CPU的性能下降。所以出现另外一种维护CPU缓存一致性的方式，MESI。

MESI是保持一致性的协议。它的方法是在CPU缓存中保存一个标记位，这个标记位有四种状态:

• M: Modify，修改缓存，当前CPU的缓存已经被修改了，即与内存中数据已经不一致了
• E: Exclusive，独占缓存，当前CPU的缓存和内存中数据保持一致，而且其他处理器并没有可使用的缓存数据
• S: Share，共享缓存，和内存保持一致的一份拷贝，多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段
• I: Invalid，实效缓存，这个说明CPU中的缓存已经不能使用了

CPU的读取遵循下面几点：

• 如果缓存状态是I，那么就从内存中读取，否则就从缓存中直接读取。
• 如果缓存处于M或E的CPU读取到其他CPU有读操作，就把自己的缓存写入到内存中，并将自己的状态设置为S。
• 只有缓存状态是M或E的时候，CPU才可以修改缓存中的数据，修改后，缓存状态变为M。

这样，每个CPU都遵循上面的方式则CPU的效率就提高上来了。

参考

缓存一致性（Cache Coherency）入门
CAS指令与MESI缓存一致性协议