程序猿必备知识储备（1）CPU处理器一致性协议MESI

前提背景

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。

• 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。

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协议简介

MESI协议将Cache中的数据分为4种状态：

• 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。
• 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。
• 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；
• 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。

MESI状态跳转图

Modified状态跳转

• Local Read：从当前Cache取数据，状态不变，还是M。
• Local Write：向当前Cache写数据，状态不变，还是M。
• 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。
• 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

• Local Read：从当前Cache取数据，状态不变，还是E。
• Local Write：向当前Cache写数据，状态变为M。
• 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。

• Remote Write ：数据被修改，当前Cache行数据无效，状态变为I。

  Shared状态跳转

• Local Read：从当前Cache取数据，状态不变，还是S。
• 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。
• Remote Read ：对当前Cache无影响，状态还是S。
• Remote Write ：数据被修改，当前行数据无效，状态变为I。

Invalid状态跳转

• 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;
• Local Write：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。
• Remote Read：对当前Cache无影响，状态还是I。
• Remote Write：对当前Cache无影响，状态还是I。