CPU處理器一致性協議MESI詳解

緩存一致性的由來

爲解決CPU與內存之間速率不匹配的問題，現代計算機系統中引入了緩存(Cache)用於提高性能。最初的處理器都是單核心，Cache需要解決的問題主要是Cache中的數據與內存中的數據是否一致。
以圖1爲例，當Cache中緩存的數據與對應的內存行中的數據一致時，認爲當前Cache行爲Clean；當Cache中緩存的數據與對應的內存行數據不一致，則認爲當前Cache行爲Dirty。

Dirty和Clean兩種狀態足夠表示單核系統中Cache的狀態問題，而當處理器發展到多核心的時候，每個CPU核心都有了自己對應的Cache，內存中的同一行數據可能會被多塊Cache緩存，並且處於不同的狀態，這個時候簡單的Dirty和Clean並不足夠處理出現的一致性問題，於是引入了MESI一致性協議。

MESI協議簡介

MESI協議將Cache中的數據分爲4種狀態：

1. Modified ：代表當前Cache行的數據是修改過的(Dirty)，並且只在當前CPU的Cache中是修改過的；此時該Cache行的數據與其他Cache中的數據不同，與內存中該行的數據也不同。
2. Exclusive：代表當前Cache行的數據是有效數據，其他CPU的Cache中沒有這行數據；並且當前Cache行數據與內存中的數據相同。
3. Shared：代表多個CPU的Cache中均緩存有這行數據，並且Cache中的數據與內存中的數據一致；
4. Invalid：表示當前Cache行中的數據無效；

Exclusive狀態

圖中Core 0對應的Cache中有(x=3)並且與內存中x值一致，而此時Core1和Core2中沒有緩存這條數據。此時Core 0對應的Cache行處於Exclusive狀態。

Shared狀態

圖中Core0/1/2中均有(x=3)，並且內存中x的值也是一致的，此時Core 0/1/2對應的Cache行都是處於Shared狀態。

Modified和Invalid狀態

圖中Core 0擁有最新的x值(x=5), 並且Core 1/2和內存中均爲無效的x值(x=3)。此時認爲Core 0的Cache行爲Modified狀態，而Core 1/2的Cache行爲Invalid狀態。

MESI狀態切換

MESI協議中的狀態轉換如圖所示，每個Cache控制器根據自己Core的讀寫操作以及其他Core的讀寫操作來決定如何進行狀態跳轉。這裏Local Read/Write指的是Cache對應的Core對當前數據做出的讀寫操作，Remote Read/Write指其他Core對當前數據做出的讀寫操作。下面將分析每個狀態的跳轉情況。

Modified狀態跳轉

1. Local Read ：從當前Cache取數據，狀態不變，還是M。
2. Local Write ：向當前Cache寫數據，狀態不變，還是M。
3. Remote Read ：先將這條數據寫入內存，讓其他Core能夠拿到最新數據，狀態變爲S。
4. Remote Write ：先將這條數據寫入內存，之後其他Core會修改這條數據，狀態變爲I。

Exclusive狀態跳轉

1. Local Read ：從當前Cache取數據，狀態不變，還是E。
2. Local Write ：向當前Cache寫數據，狀態變爲M。
3. Remote Read ：其他Core會從內存讀取這條數據，變成共享狀態，狀態變爲S。
4. Remote Write ：數據倍修改，當前Cache行數據無效，狀態變爲I。

Shared狀態跳轉

1. Local Read ：從當前Cache取數據，狀態不變，還是S。
2. Local Write ：向當前Cache寫數據，狀態變成M，其他Cache中該行數據無效，變成I。
3. Remote Read ：對當前Cache無影響，狀態還是S。
4. Remote Write ：數據被修改，當前行數據無效，狀態變爲I。

Invalid狀態跳轉

1. Local Read ：如果其他Cache沒有緩存這條數據，需要從內存中讀取該數據，讀取之後狀態變成E；
   如果其他Cache有這條數據，且狀態爲M，則先將數據更新到內存，當前Cache再到內存中取數據，之後這兩個Cache的相應行數據相同，都變成S;
   如果其他Cache有這條數據，且狀態爲S或E，當前Cache從內存中取這條數據，這些Cache相應行數據相同，都變成S;
2. Local Write ：從內存中讀取數據，在Cache中修改，狀態變成M；
   如果其他Cache有這條數據，且狀態爲M，則要先將數據更新到內存；
   如果其他Cache有這條數據，則這些Cache行變成I。
3. Remote Read ：對當前Cache無影響，狀態還是I。
4. Remote Write ：對當前Cache無影響，狀態還是I。