鎖緩存行有一套協(xié)議叫做緩存一致性協(xié)議。緩存一致性協(xié)議有MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firefly以及DragonProtocol等等。
MESI
MESI分別代表緩存行數(shù)據(jù)的4中狀態(tài)，通過對這四種狀態(tài)的切換，來達到對緩存數(shù)據(jù)進行管理的目的
| 狀態(tài) | 描述 | 監(jiān)聽任務 |
|---|---|---|
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Modified （修改） |
該Cache Line有效，數(shù)據(jù)被修改了，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中 | Cache Line必須時刻監(jiān)聽所有試圖讀該Cache Line相對應的內(nèi)存的操作，其他緩存須在本Cache Line寫回內(nèi)存并將狀態(tài)置為E之后才能操作該Cache Line對應的內(nèi)存數(shù)據(jù) |
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Exclusive （互斥） |
該Cache Line有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中 | Cache Line 必須監(jiān)聽其他緩存讀主內(nèi)存中該Cache Line相對應的內(nèi)存的操作，一旦有這種操作，該Cache Line需要變成S狀態(tài) |
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Shared （共享） |
該Cache Line有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)同時存在于其他緩存中 | Cache Line必須監(jiān)聽其他處理器修改該Cache Line相對應的本地Cache Line的操作，一旦有這種操作，該Cache Line需要變成 I 狀態(tài) |
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Invalid （無效） |
該Cache Line數(shù)據(jù)無效 | 無 |
多核緩存協(xié)同操作
假設有三個CPU-A、B、C，對應三個緩存分別是cache-a、b、c。在主內(nèi)存中定義了x的引用值0
單核讀取
- CPU-A發(fā)出一條指令，從主內(nèi)存中讀取x
- 從主內(nèi)存通過bus讀取到緩存中，此時該Cache Line修改為E狀態(tài)
多核讀取
- CPU-A發(fā)出了一條指令，從主內(nèi)存中讀取x
- CPU-A從主內(nèi)存通過bus讀取到cache-a中并將該Cache Line設置為E狀態(tài)
- CPU-B發(fā)出一條指令，從主內(nèi)存中讀取x
- CPU-B試圖從主內(nèi)存中讀取x時，CPU-A檢測到了地址沖突。這時CPU-A對相應數(shù)據(jù)做出響應。此時x存在于cache-a和cache-b中，x在cache-a和cache-b中都被設置為S狀態(tài)
修改數(shù)據(jù) - CPU-A計算完成后發(fā)指令需要修改x
- CPU-A將x設置為M狀態(tài)（修改）并通知緩存了x的CPU-B，CPU-B將本地cache-b中的x設置為I狀態(tài)（無效）
- CPU-A對x進行賦值
同步數(shù)據(jù)
- CPU-B發(fā)出了要讀取x的指令
- CPU-B通知CPU-A，CPU-A將修改后的數(shù)據(jù)同步到主內(nèi)存時cache-a修改為E狀態(tài)（獨享）
- CPU-A同步CPU-B的x，將cache-a和同步后cache-b中的x設置為S狀態(tài)（共享）
MESI優(yōu)化和引入的問題：各CPU緩存行的狀態(tài)是通過消息傳遞來進行的。如果CPU0要對一個在緩存中共享的變量進行寫入，首先需要發(fā)送一個失效的消息給到其他緩存了該數(shù)據(jù)的CPU，并且要等到他們的確認回執(zhí)。CPU0在這段時間內(nèi)都會一直處于阻塞狀態(tài)，會導致各種各樣的性能問題和穩(wěn)定性問題。
MESI性能優(yōu)化
Store Buffer
為了避免阻塞帶來的資源浪費，在CPU中引入了Store Buffer。
CPU在寫入共享數(shù)據(jù)時，直接把數(shù)據(jù)寫入到Store Buffer中，同時發(fā)送Invalidate消息，然后繼續(xù)去處理其他指令。當收到其他所有CPU發(fā)送了Invalidate Acknowledge消息時，再將Store Buffer中的數(shù)據(jù)存儲到Cache Line中，最后再從Cache Line同步到主內(nèi)存。
Store Buffer的問題：引入了Store Buffer后，CPU會優(yōu)先從Store Buffer中讀取數(shù)據(jù)，這在一些情況下會導致CPU的亂序執(zhí)行，也可以認為是一種重排序，這種重排序會帶來可見性問題
Store Forwarding
Write Memory Barrier
Invalidate Queue
