【并发编程】MESI--CPU缓存一致性协议

原文：多线程之：MESI－CPU缓存一致性协议

概念

MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）(也称为伊利诺斯协议，是由于该协议由伊利诺斯州立大学提出）是一种普遍使用的支持写回策略的缓存一致性协议。

MESI协议中的状态

CPU中每一个缓存行（caceh line)使用4种状态进行标记（使用额外的两位(bit)表示):

M: 被修改（Modified)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，而且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存须要在将来的某个时间点（容许其它CPU读取请主存中相应内存以前）写回（write back）主存。

当被写回主存以后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E: 独享的（Exclusive)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态能够在任什么时候刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。

一样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态能够变成Modified状态。

S: 共享的（Shared)

该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，而且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行能够被做废（变成无效状态（Invalid））。

I: 无效的（Invalid）

该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

MESI状态转换图

状态之间的相互转换关系也可使用下表进行表示。

操做

在一个典型系统中，可能会有几个缓存（在多核系统中，每一个核心都会有本身的缓存）共享主存总线，每一个相应的CPU会发出读写请求，而缓存的目的是为了减小CPU读写共享主存的次数。

一个缓存除在Invalid状态外均可以知足cpu的读请求，一个Invalid的缓存行必须从主存中读取（变成S或者 E状态）来知足该CPU的读请求。

一个写请求只有在该缓存行是M或者E状态时才能被执行，若是缓存行处于S状态，必须先将其它缓存中该缓存行变成Invalid状态（也既是不容许不一样CPU同时修改同一缓存行，即便修改该缓存行中不一样位置的数据也不容许）。该操做常常做用广播的方式来完成，例如：RequestFor Ownership (RFO)。

缓存能够随时将一个非M状态的缓存行做废，或者变成Invalid状态，而一个M状态的缓存行必须先被写回主存。

一个处于M状态的缓存行必须时刻监听全部试图读该缓存行相对就主存的操做，这种操做必须在缓存将该缓存行写回主存并将状态变成S状态以前被延迟执行。

一个处于S状态的缓存行也必须监听其它缓存使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，并将该缓存行变成无效（Invalid）。

一个处于E状态的缓存行也必须监听其它缓存读主存中该缓存行的操做，一旦有这种操做，该缓存行须要变成S状态。

对于M和E状态而言老是精确的，他们在和该缓存行的真正状态是一致的。而S状态多是非一致的，若是一个缓存将处于S状态的缓存行做废了，而另外一个缓存实际上可能已经

独享了该缓存行，可是该缓存却不会将该缓存行升迁为E状态，这是由于其它缓存不会广播他们做废掉该缓存行的通知，一样因为缓存并无保存该缓存行的copy的数量，所以（即便有这种通知）也没有办法肯定本身是否已经独享了该缓存行。

从上面的意义看来E状态是一种投机性的优化：若是一个CPU想修改一个处于S状态的缓存行，总线事务须要将全部该缓存行的copy变成Invalid状态，而修改E状态的缓存不须要使用总线事务。

参考资料：
计算机体系结构（第五版）－复习－MESI&MOESI协议