Cache 一致性协议

MESI

处理器上有一套完整的协议，来保证 Cache 一致性。比较经典的 Cache 一致性协议当属 MESI 协议，奔腾处理器有使用它，很多其他的处理器都是使用它的变种。

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。

在 MESI 协议中，每个 Cache line 有 4 个状态，可用 2 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。

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。

当内核需要访问的数据不在本 Cache 中，而其它 Cache 有这份数据的备份时，本 Cache 既可以从内存中导入数据，也可以从其它 Cache 中导入数据，不同的处理器会有不同的选择。

MESI 协议为了使自己更加通用，没有定义这些细节，只定义了状态之间的迁移，下面的描述假设本 Cache 从内存中导入数据。

事件	行为	next state
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	E/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	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

事件	行为	next state
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	M
Remote Read	数据和其它核共用，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

事件	行为	next state
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	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

事件	行为	next state
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	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	I

AMD 的 Opteron 处理器使用从 MESI 中演化出的 MOESI 协议，O(Owned)是 MESI 中 S 和 M 的一个合体，表示本 Cache line 被修改，和内存中的数据不一致，不过其它的核可以有这份数据的拷贝，状态为 S。

Intel 的 core i7 处理器使用从 MESI 中演化出的 MESIF 协议，F(Forward)从 Share 中演化而来，一个 Cache line 如果是 Forward 状态，它可以把数据直接传给其它内核的 Cache，而 Share 则不能。