CPU缓存一致性( 二 ) _CPU缓存

由于 Core 2 无法感知到 Core 1 的写入操作，如果继续使用过时的数据，就会出现逻辑问题。

由于两个核心的工作是独立的，在一个核心上的修改行为不会被其它核心感知到，所以不管 CPU 使用写直达策略还是写回策略，都会出现缓存不一致问题。所以，我们需要一种机制，将多个核心的工作联合起来，共同保证多个核心下的 Cache 一致性，这就是缓存一致性机制。
写传播 & 事务串行化缓存一致性机制需要解决的问题就是 2 点：

特性 1 - 写传播（Write Propagation）：每个 CPU 核心的写入操作，需要传播到其他 CPU 核心；
特性 2 - 事务串行化（Transaction Serialization）：各个 CPU 核心所有写入操作的顺序，在所有 CPU 核心看起来是一致。

总线嗅探 & 总线仲裁写传播和事务串行化在 CPU 中是如何实现的呢？
写传播 - 总线嗅探：总线除了能在一个主模块和一个从模块之间传输数据，还支持一个主模块对多个从模块写入数据，这种操作就是广播。要实现写传播，其实就是将所有的读写操作广播到所有 CPU 核心，而其它 CPU 核心时刻监听总线上的广播，再修改本地的数据；
可以发现，总线嗅探方法很简单， CPU 需要每时每刻监听总线上的一切活动，但是不管别的核心的 Cache 是否缓存相同的数据，都需要发出一个广播事件，这无疑会加重总线的负载。
事务串行化 - 总线仲裁：总线的独占性要求同一时刻最多只有一个主模块占用总线，天然地会将所有核心对内存的读写操作串行化。如果多个核心同时发起总线事务，此时总线仲裁单元会对竞争做出仲裁，未获胜的事务只能等待获胜的事务处理完成后才能执行。
基于总线嗅探和总线仲裁，现代 CPU 逐渐形成了各种缓存一致性协议，例如 MESI 协议。
MESI协议MESI 协议其实是 CPU Cache 的有限状态机，一共有 4 个状态（MESI 就是状态的首字母）：

M（Modified，已修改）：表明 Cache 块被修改过，但未同步回内存；
E（Exclusive，独占）：表明 Cache 块被当前核心独占，而其它核心的同一个 Cache 块会失效；
S（Shared，共享）：表明 Cache 块被多个核心持有且都是有效的；
I（Invalidated，已失效）：表明 Cache 块的数据是过时的。

在「独占」和「共享」状态下，Cache 块的数据是 “清” 的，任何读取操作可以直接使用 Cache 数据；
在「已失效」和「已修改」状态下，Cache 块的数据是 “脏” 的，它们和内存的数据都可能不一致。在读取或写入 “已失效” 数据时，需要先将其它核心 “已修改” 的数据写回内存，再从内存读取；
「独占」和「共享」的差别在于，独占状态的时候，数据只存储在一个 CPU 核心的 Cache 里，而其他 CPU 核心的 Cache 没有该数据。这个时候，如果要向独占的 Cache 写数据，就可以直接自由地写入，而不需要通知其他 CPU 核心，因为只有你这有这个数据，就不存在缓存一致性的问题了，于是就可以随便操作该数据。
另外，在「独占」状态下的数据，如果有其他核心从内存读取了相同的数据到各自的 Cache ，那么这个时候，独占状态下的数据就会变成共享状态。
那么，「共享」状态代表着相同的数据在多个 CPU 核心的 Cache 里都有，所以当我们要更新 Cache 里面的数据的时候，不能直接修改，而是要先向所有的其他 CPU 核心广播一个请求，要求先把其他核心的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「无效」状态，然后再更新当前 Cache 里面的数据。
事实上，完整的 MESI 协议更复杂，但我们没必要记得这么细。我们只需要记住最关键的 2 点：