併發程式設計之CPU快取一致性協議MESI

在多核cpu情況下，每個cpu都有自己的

一、二級快取，在多核處理的情況下，如果一方修改了cpu中已經快取的東西，而又沒有通知已經讀取到該cache line的另一方，就會導致兩邊資訊不一致。

mesi(modified exclusive shared or invalid)（也成為伊利諾斯協議，是因為該協議由伊利諾斯州立大學提出）是一種廣泛使用的支援寫回策略的快取一致性協議。

cpu中每個快取行(cache line)使用4種狀態進行標記（cache line中使用額外的兩位(bit)標識）

m:被修改(modified)

該快取行被快取在該cpu中，並且是被修改過的(dirty)（此時其他cpu中該快取行和主存中該快取行的狀態都是無效的(invalid)），與主存中的資料不一致，該快取行中的資料需要在未來某個時間點(允許其他cpu讀取主存中相應的內容之前)寫回(write back)主存。

當被寫回主存之後，該快取行的狀態會變成獨享(exclusive)狀態。

e:獨享的(exclusive)

該快取行只被快取在該cpu中，它是未被修改過的，與主存中資料一致。該狀態可以在任何時候當有其他cpu讀取主存中該快取行時，變成共享狀態(shared)。

s:共享的(shared)

該狀態意味著該快取行可能被多個cpu快取，並且各個快取中的資料與主存資料一致，當有乙個cpu修改對應快取行後，其他cpu中對應的該快取行被作廢（變成無效狀態invalid）。

i:無效的(invalid)

該快取行是無效的（可能有其他cpu修改了該快取行），不能被其他cpu讀取，並使用，需要修改該cache line對應的cpu寫回資料後方可重新訪問。

4、mesi狀態流轉

mesi狀態之間的遷移過程如下：

說明：

local read:表示本核心讀取本cache line的值；

local write:表示本核心寫本cache line的值；

remote read:標識其他核心讀取其他cache line的值；

remote write:標識其他核心寫其他cache line的值。

下圖示意了，當乙個cache line的調整的狀態的時候，另外乙個cache line 需要調整的狀態。me

m×××

√e×××

√s××√

√i√√√

√舉個例子來說：

假設在主存中有cache line，有乙個變數m=1,如下圖

cpu-a 發出了一條讀取指令，從主存中讀取m，從主存中通過bus讀取到核心快取，因為當前只有cpu-a擁有該快取行，且資料狀態一致，所以在cpu-a中，該快取行狀態是e，並且主存中的快取行可以被其他核心讀取。

此時cpu-b發出了一條讀取指令，從主存中讀取m，cpu-b從主存中讀取m時，cpu-a監聽到了這個操作，此時cpu-a和cpu-b中該快取行的狀態即為s(資料與主存中的狀態一致)

假設此時cpu-a對m進行計算，此時cpu-a將快取行設定成m(修改)，並通知cpu-b，cpu-b中此時該快取行的狀態是i(無效狀態)，並且主存中該快取行的狀態也是無效狀態，不能被讀取和操作。

cpu-a修改完資料後，cpu-b需要使用最新的資料，cpu-b發出讀取指令後，cpu-a在某個時刻將資料寫回到主存，在cpu-a中該快取行狀態由m變為s，並且主存中該快取行資料變為有效，此時cpu-b再去讀取一遍，此時cpu-b中該快取行資料變為s。