MESI协议

1.Cache的写策略：

1）Write through（写通）

每次CPU修改了cache中的内容，Cache立即更新内存的内容

2） Write back（写回）

内核修改cache的内容后，cache并不会立即更新内存中的内容，而是等到这个cache line因为某种原因需要从

cache中移除时，cache才会更新内存中的内容。

 

Write through（写通）由于有大量的访问内存的操作，效率太低，大多数处理器都使用Writeback（写回）策略。

Cache如何知道这行有没有被修改？需要一个标志-dirty标志。Dirty标志为1，表示cache的内容被修改，和内存的

内容不一致，当该cache line被移除时，数据需要被更新到内存，dirty标志位0（称为clean），表示cache的内容

和内存的内容一致。

有dirty标志的cache结构：

程序cache不会被修改，不需要dirty标志，数据cache需要dirty标志。

 

2.Cache一致性

1）一致性问题的产生-信息不对称导致的问题

在多核处理器中，内存中有一个数据x，值为3，被缓存到core0和core1中，如果core0将x修改为5，而core1

不知道x被修改，还在使用旧事，就会导致程序出错，这就是cache的不一致。

2）Cache一致性的底层操作

为了保证cache的一致性，处理器提供了两个保证cache一致性的底层操作：Writeinvalidate和Write update。

Write invalidate（置无效）：当一个内核修改了一份数据，其他内核上如果有这份数据的复制，就置成无效。

Write update（写更新）：当一个内核修改了一份数据，其他地方如果有这份数据的复制，就都更新到最新值。

 

Write invalidate是一种简单的方式，不需要更新数据，如果core1和core2以后不再使用变量x，这时候采用

write invalidate就非常有效，不过由于一个valid标志对应一个Cache line，将valid标志置成invalid后，这个

cache line中其他的有效的数据也不能使用了。Write upodate策略会产生大量的数据更新操作，不过只用更

新修改的数据，如果core1和core2会使用变量x，那么writeupdate就比较有效。由于Writeinvalidate简单，

大多数处理器都是用Writeinvalidate策略。

 

3） Cache一致性协议

在MESI协议中，每个Cacheline有4个状态，可用两个bit表示，它们分别是：

状态

描述

M（Modified）

这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本cache中

E（Exclusive）

这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本cache中。

S（Shared）

这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多cache中

I（Invalid）

这行数据无效

 

E状态（独占）：

S状态（共享）：

M状态和I状态：

MESI协议状态迁移图：

Local Read表示本内核读本Cache的值，Local Write表示本内核写Cache中的值，Remote Read表示其他内核

读其他Cache中的值，Remote write 表示其他内核写其他Cache的值，箭头表示本Cache line状态的迁移，唤

醒箭头表示状态不变。

 

MESI状态之间的迁移过程如下：

当前状态

事件

行为

下一个状态

I（Invalid）

Local Read

如果其他Cache没有这份数据，本Cache从该内存中取数据，Cache line状态变成E；

如果其他Cache有这份数据，且状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中取数据，两个Cache的Cache line状态都变成S；

如果其他Cache有这份数据，且状态为S或者E，本Cache从内存中取数据，这些Cache的Cache line状态都变成S。

E/S

Local Write

从内存中取数据，在Cache中修改，状态变成M；如果其他Cache有这份数据，切状态为M，则要先将数据更新到内存；

如果其他Cache有这份数据，则其他Cache的Cache line状态变成1

M

Remote Read

既然是invalid，别的核的操作与它无关

I

Remote Write

既然是invalid，别的核的操作与它无关

I

E（Exclusive）

Local Read

从Cache中取数据，状态不变

E

Local Write

修改Cache的数据，状态为M

M

Remote Read

数据和其他核共用，状态变成了S

S

Remote Write

数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I

I

S（Shared）

Local Read

从Cache中取数据，状态不变

S

Local Write

修改Cache中的数据，状态变成M，其他核共享的Cache line状态变成I

M

Remote Read

状态不变

S

Remote Write

数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I

I

M（Modified）

Local Read

从Cache中取数据，状态不变

M

Local Write

修改Cache中的数据，状态不变

M

Remote Read

这行数据被写到内存中，使其他核能使用到最新的数据，状态变成S

S

Remote Write

这行数据被写到内存中，使其他核能使用到最新的数据，由于其它核会修改这行数据，状态变成I

I

参考资料：

1.《大话处理器》