MESI 缓存一致性协议

概述

 随着多核 CPU 的发展，每个 CPU 中都有自己专用的缓存（比如 L1，L2）。当 CPU 处理数据时，会从共享缓存（比如 L3 缓存）中读取数据，然后在本地缓存中进行操作。如果 CPU 每次修改本地缓存的数据都将其写回下层缓存，并且在此期间，其他处理器并不会对该数据进行修改，那么这似乎并不会发生什么问题。但是，这样串行化执行必然会对性能造成影响。但是如果不串行化执行，一个处理器对一个过期的数据进行了操作，那就会造成数据不一致的问题，这就是著名的缓存一致性问题。

为了解决缓存一致性问题，人们提出了缓存一致性协议。实现缓存一致性协议的关键在于跟踪数据块的共享状态。目前的协议有两类：

• 目录式：存储器的共享状态保存在一个目录中，通过查看目录来跟踪数据块的状态
• 监听式：缓存拥存储器块中的数据副本，所有缓存通常都可以通过某种介质访问，所有缓存监视器都监听这个介质，以跟踪数据块的状态

本文介绍的式 MESI 协议，它属于监听式协议。监听式协议有两种实现方法：

• 写入失效：确保处理器在写入某一数据项之前，获取对该数据项的独占访问。因此进行读操作的处理器所保留的副本必须都失效，强制读取新副本；进行写操作的处理器都禁止写入，直到可以读取新副本
• 写入更新：写入一个数据项时，更新该数据项的所有缓存副本。因此必须将所有写入操作都广播到共享缓存线上

MSI 协议

MSI 实现的时写入失效协议。写入失效协议的关键在于使用总线或其他广播介质来执行失效操作，强制其他处理器读取最新的版本。

在 MSI 中，除了设置缓存的有效位外，它还加入了两个新状态：共享状态（shared）和已修改状态（modified），MSI 就是这三个状态的缩写。

• 共享状态：表明缓存块可能被共享，比如多个处理器可能同时共享一个缓存块（注意这里共享应给缓存块指的是共享下层存储设备的数据块）
• 已修改状态：表明处理器已经对缓存块进行了修改，同时这个缓存块处于独占状态，即其他处理器并没有该数据块的缓存。
• 无效状态：处理器还没有将数据库加载到专用缓存块

当处理器读取一个数据时，会触发读取会缺失事件，这时他会将读取确实消息放到总线上，然后将数据块复制到当前处理器的本地缓存中，这时本地缓存的缓存块处于共享状态。

当处理器对本地缓存进行写操作时，会将失效操作在总线上广播。其他处理器监听到失效命令后会检查本地缓存中是否有该缓存块，如果有，将本地缓存块设置为失效状态。当前处理器会将本地缓存设置为已修改状态，并对其进行修改。如果另外一个处理器发出了读取操作，那么缓存块会从已修改状态变为共享状态。

MSI 协议的状态转换图如下所示：

MESI 协议

对于 MSI 协议来说，如果一个处理器发起写操作时，发现本地缓存中没有缓存该数据，那么他就需要先发起应一个读操作，将数据块读取到本地缓存，这时缓存块处于共享状态。但是处理器又会对其进行写操作，该缓存块又会从共享状态变为已修改状态，并在总线上广播失效操作。但是此时其他处理器并没有该数据块的缓存，因此会造成一次无效的总线操作。

MESI 为了解决这一点，引入了一个独占状态（exclusive）。如果只有一个处理器读取数据块中的数据时，将缓存块设置为独占状态。当对数据进行写操作时，由于处于独占状态，意味着其他处理器并没有缓存该数据块，所以可以直接修改本地缓存，并将缓存块设置为已修改状态而不需要在总线上广播失效操作。

MESI 的状态转换图如下：

参考资料

《计算机体系结构 量化研究方法》