CPU处理器一致性协议MESI详解

缓存一致性的由来

为解决CPU与内存之间速率不匹配的问题，现代计算机系统中引入了缓存(Cache)用于提高性能。最初的处理器都是单核心，Cache需要解决的问题主要是Cache中的数据与内存中的数据是否一致。
以图1为例，当Cache中缓存的数据与对应的内存行中的数据一致时，认为当前Cache行为Clean；当Cache中缓存的数据与对应的内存行数据不一致，则认为当前Cache行为Dirty。

Dirty和Clean两种状态足够表示单核系统中Cache的状态问题，而当处理器发展到多核心的时候，每个CPU核心都有了自己对应的Cache，内存中的同一行数据可能会被多块Cache缓存，并且处于不同的状态，这个时候简单的Dirty和Clean并不足够处理出现的一致性问题，于是引入了MESI一致性协议。

MESI协议简介

MESI协议将Cache中的数据分为4种状态：

1. Modified ：代表当前Cache行的数据是修改过的(Dirty)，并且只在当前CPU的Cache中是修改过的；此时该Cache行的数据与其他Cache中的数据不同，与内存中该行的数据也不同。
2. Exclusive：代表当前Cache行的数据是有效数据，其他CPU的Cache中没有这行数据；并且当前Cache行数据与内存中的数据相同。
3. Shared：代表多个CPU的Cache中均缓存有这行数据，并且Cache中的数据与内存中的数据一致；
4. Invalid：表示当前Cache行中的数据无效；

Exclusive状态

图中Core 0对应的Cache中有(x=3)并且与内存中x值一致，而此时Core1和Core2中没有缓存这条数据。此时Core 0对应的Cache行处于Exclusive状态。

Shared状态

图中Core0/1/2中均有(x=3)，并且内存中x的值也是一致的，此时Core 0/1/2对应的Cache行都是处于Shared状态。

Modified和Invalid状态

图中Core 0拥有最新的x值(x=5), 并且Core 1/2和内存中均为无效的x值(x=3)。此时认为Core 0的Cache行为Modified状态，而Core 1/2的Cache行为Invalid状态。

MESI状态切换

MESI协议中的状态转换如图所示，每个Cache控制器根据自己Core的读写操作以及其他Core的读写操作来决定如何进行状态跳转。这里Local Read/Write指的是Cache对应的Core对当前数据做出的读写操作，Remote Read/Write指其他Core对当前数据做出的读写操作。下面将分析每个状态的跳转情况。

Modified状态跳转

1. Local Read ：从当前Cache取数据，状态不变，还是M。
2. Local Write ：向当前Cache写数据，状态不变，还是M。
3. Remote Read ：先将这条数据写入内存，让其他Core能够拿到最新数据，状态变为S。
4. Remote Write ：先将这条数据写入内存，之后其他Core会修改这条数据，状态变为I。

Exclusive状态跳转

1. Local Read ：从当前Cache取数据，状态不变，还是E。
2. Local Write ：向当前Cache写数据，状态变为M。
3. Remote Read ：其他Core会从内存读取这条数据，变成共享状态，状态变为S。
4. Remote Write ：数据倍修改，当前Cache行数据无效，状态变为I。

Shared状态跳转

1. Local Read ：从当前Cache取数据，状态不变，还是S。
2. Local Write ：向当前Cache写数据，状态变成M，其他Cache中该行数据无效，变成I。
3. Remote Read ：对当前Cache无影响，状态还是S。
4. Remote Write ：数据被修改，当前行数据无效，状态变为I。

Invalid状态跳转

1. Local Read ：如果其他Cache没有缓存这条数据，需要从内存中读取该数据，读取之后状态变成E；
   如果其他Cache有这条数据，且状态为M，则先将数据更新到内存，当前Cache再到内存中取数据，之后这两个Cache的相应行数据相同，都变成S;
   如果其他Cache有这条数据，且状态为S或E，当前Cache从内存中取这条数据，这些Cache相应行数据相同，都变成S;
2. Local Write ：从内存中读取数据，在Cache中修改，状态变成M；
   如果其他Cache有这条数据，且状态为M，则要先将数据更新到内存；
   如果其他Cache有这条数据，则这些Cache行变成I。
3. Remote Read ：对当前Cache无影响，状态还是I。
4. Remote Write ：对当前Cache无影响，状态还是I。