多处理器系统MESI cache一致性协议

----- 一致性要求是指若cache中某个字被修改，那么在主存（以及更高层次）上，该字的副本必须立即或最后加以修改，并确保它者引用主存上

该字内容的正确性。

当代多处理器系统中，每个处理器大都有自己的cache。同一主存块的拷贝能同时存于不同cache中，若允许处理器各自独立地修改自己的cache，

就会出现不一致问题。解决此问题有软件办法和硬件办法。硬件办法能动态地识别出不一致产生的条件并予以及时处理，从而使cache的使用有

很高的效率。并且此办法对程序员和系统软件开发人员是透明的，减轻了软件研制负担，从而普遍被采用。 

----- 单核Cache中每个Cache line有2个标志：dirty和valid标志，它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效，数据

是否被修改)，而在多核处理器中，多个核会共享一些数据，MESI协议就包含了描述共享的状态。

----- MESI协议是一种采用写--无效方式的监听协议。它要求每个cache line有4个状态，可用2个bit表示，用于描述该行当前是处于修改态（M）、

专有态（E）、共享态（S）或者无效态（I）中的哪种状态，从而决定它的读/写操作行为。这四种状态的定义是：

---- 修改态（Modified）: 此cache行已被修改过（脏行），内容已不同于主存并且为此cache专有；

                   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。

---- 专有态（Exclusive）此cache行内容同于主存，但不出现于其它cache中；

                   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。

---- 共享态（Shared） 此cache行内容同于主存，但也出现于其它cache中；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。

---- 无效态（Invalid）  此cache行内容无效（空行）。

------- M(Modified)和E(Exclusive)状态的Cache line，数据是独有的。

         不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致)，E状态的数据是clean的(和内存的一致)。

------- S(Shared)状态的Cache line，数据和其他Core的Cache共享。只有clean的数据才能被多个Cache共享。

------- I(Invalid)表示这个Cache line无效。

MESI协议适合以总线为互连机构的多处理器系统。各cache控制器除负责响应自己CPU的内存读写操作（包括读/写命中与未命中）外，还要负责

监听总线上的其它CPU的内存读写活动（包括读监听命中与写监听命中）并对自己的cache予以相应处理。所有这些处理过程要维护cache一致性，

必须符合MESI协议状态转换规则。

E状态示例如下：

               

只有Core 0访问变量x，它的Cache line状态为E(Exclusive)。

S状态示例如下：

               

3个Core都访问变量x，它们对应的Cache line为S(Shared)状态。

M状态和I状态示例如下：

               

Core 0修改了x的值之后，这个Cache line变成了M(Modified)状态，其他Core对应的Cache line变成了I(Invalid)状态。

在MESI协议中，每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。

每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。

Local Read表示本内核读本Cache中的值，Local Write表示本内核写本Cache中的值。

Remote Read表示其它内核读其它Cache中的值，Remote Write表示其它内核写其它Cache中的值，

MESI状态之间的迁移过程如下：

1）E(Exclusive)

---- Local Read，从Cache中取数据，状态不变E。

---- Local Write，修改Cache中的数据，状态变成M

---- Remote Read，数据和其它核共用，状态变成了S。

---- Remote Write，数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I。

2）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，其它核共享的Cache line状态变成I

---- 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。

3）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，使其它核能使用到最新的数据，状态变成S。

---- Remote Write，这行数据被写到内存中，使其它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。

4）I(Invalid)：

---- Local Read，如果其它Cache没有这份数据，本Cache从内存中取数据，Cache line状态变成E；

如果其它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，2个Cache 的Cache line状态都变成S；

如果其它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。

---- Local Write，从内存中取数据，在Cache中修改，状态变成M；

如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则要先将数据更新到内存；

如果其它Cache有这份数据，则其它Cache的Cache line状态变成I。

---- Remote Read，既然是Invalid，别的核的操作与它无关。

---- Remote Write，既然是Invalid，别的核的操作与它无关。