缓存一致性与 MESI

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为什么会有缓存一致性问题

单核时，Cache 主要解决“读得快不快”；多核时，还要解决“会不会读错”。

因为：

• L1、L2 往往是每个核心独有
• 同一份数据可能同时出现在多个核心的 Cache 里
• 一个核心改了数据，其他核心可能还拿着旧副本

这就是缓存一致性问题。

先记两种写策略

写直达

写 Cache 的同时，立刻写回内存。

• 优点：实现简单，一致性更容易保证
• 缺点：每次写都碰内存，性能差

写回

先只改 Cache，等这条 Cache Line 将来被替换时再写回内存。

• 优点：写得快
• 缺点：Cache 和内存可能暂时不一致，所以必须配合一致性协议

通常可以先记成：写直达 更简单，写回 性能更好，所以现代 CPU 更常围绕写回解决一致性。

保证一致性要满足什么

要真正保证一致性，至少要同时满足两件事：

• 写传播：一个核心改了数据，其他核心必须知道
• 事务串行化：多个核心改同一份数据时，必须有确定先后顺序

总线嗅探在干什么

常见方法是总线嗅探：

• 某个核心修改了数据
• 它把这个事件广播出去
• 其他核心监听总线
• 如果自己也缓存了同一份数据，就更新状态或让副本失效

它解决的是“别人知不知道我改了数据”。

MESI 四状态

MESI 本质上是一个 Cache Line 状态机，每条 Cache Line 都带一个状态：

• M = Modified：已修改，和内存不一致
• E = Exclusive：独占，只有当前核心有，且和内存一致
• S = Shared：共享，多个核心都有，且和内存一致
• I = Invalid：失效，不能再用

最典型的状态流转

记住一个最常见场景就够了：

1. A 核心第一次读某条数据：如果别的核心都没有，这条 Cache Line 在 A 中是 E
2. B 核心也来读：A 和 B 都变成 S
3. A 核心要写：先让别的核心对应副本失效，A 写完后变成 M，别人变成 I
4. A 之后继续写：因为已经是 M，可以直接改
5. A 将来替换这条 M 状态 Cache Line：先写回内存

如果你想继续看一致性带来的典型性能问题，可以接着看 伪共享。

继续看

• 伪共享
• [CPU Cache](./CPU Cache.md)
• 内存
• 存储器层次结构

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参考主线：小林coding《2.4 CPU 缓存一致性》