在現(xiàn)代多核處理器系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的一致性和訪問效率是確保高性能計算的關(guān)鍵因素之一。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的增長，傳統(tǒng)的單核處理架構(gòu)已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的計算任務(wù)要求。因此，多核乃至多處理器系統(tǒng)的出現(xiàn)成為必然趨勢。然而，在這樣的并行計算環(huán)境中，如何保證各個核心之間的數(shù)據(jù)同步與一致成為了新的挑戰(zhàn)。

緩存一致性問題是多核系統(tǒng)中最為核心的問題之一。當(dāng)多個處理器核心共享同一塊內(nèi)存區(qū)域時，每個核心都可能擁有該內(nèi)存區(qū)域的副本。如果一個核心修改了其緩存中的數(shù)據(jù)，其他核心必須能夠及時感知這一變化，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。為了解決這個問題，各種緩存一致性協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

本文將從最基本的總線嗅探技術(shù)入手，逐步深入探討幾種主流的緩存一致性協(xié)議，特別是MESI協(xié)議。我們將詳細(xì)介紹這些協(xié)議的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及對系統(tǒng)性能的影響。希望通過本文的講解，讀者能夠?qū)彺嬉恢滦詥栴}有一個全面的理解，并掌握解決這一問題的有效方法。

一、詳解CPU體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)讀寫機(jī)制

1.CPU Cache Line是什么

每個CPU都會有自己的二級緩存，其中一級緩存分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存，這些緩存的數(shù)據(jù)都是從內(nèi)存中讀取的，而且每次都會加載一個cache line，而CPU Cache Line的物理結(jié)構(gòu)大體如下圖所示：

關(guān)于cache line的大小可以使用命令鍵入如下指令進(jìn)行查看：

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/coherency_line_size

以筆者的服務(wù)器為例，可以看到對應(yīng)的輸出結(jié)果為64：

同時對應(yīng)的我們給出CPU緩存與內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)圖，其中按照數(shù)值減小訪問速度越快，不同CPU核心都有獨(dú)立的二級緩存，而三級緩存則是共享緩沖區(qū)，與物理內(nèi)存空間直接打交道：

如果開發(fā)者能夠很好的使用緩存技術(shù)，那么程序的性能就會很高，具體可以參照筆者之前寫的這篇文章

計算機(jī)組成原理-基于計組CPU的基礎(chǔ)知識進(jìn)行代碼調(diào)優(yōu)：https://blog.csdn.net/shark_chili3007/article/details/123038653

2.CPU Cache和內(nèi)存同步技術(shù)

(1) 寫直達(dá)（Write Through)技術(shù)

寫直達(dá)技術(shù)解決cache和內(nèi)存同步問題的方式很簡單，例如CPU1要操作變量i，先看看cache中有沒有變量i，若有則直接操作cache中的值，然后立刻寫回內(nèi)存。 若變量i不在cache中，那么CPU就回去內(nèi)存中加載這個變量到cache中進(jìn)行操作，然后立刻寫回內(nèi)存中。 這樣做的好處就是實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)槊看味家獙⑿薷牡臄?shù)據(jù)立刻寫回內(nèi)存，這其中的寫入開銷對于需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)的CPU是一種災(zāi)難：

(2) 回寫技術(shù)（Write Back）

Write Back即一種延遲寫技術(shù)，為了避免上一種操作頻繁寫入內(nèi)存的資源開銷而提出的一種方案，它的工作原理是將數(shù)據(jù)加載到CPU cache并修改但并不寫入內(nèi)存，僅僅是將數(shù)據(jù)標(biāo)記為dirty，由此減少寫入內(nèi)存的次數(shù)，如果沒有發(fā)生緩存置換，這些數(shù)據(jù)就不會被寫入內(nèi)存中。

舉個例子，CPU cache加載data1到緩存中，并進(jìn)行數(shù)次修改操作，隨后cpu cache發(fā)生data10不在緩存中需要從內(nèi)存中加載，又因?yàn)閏pu cache空間不足，此時觸發(fā)緩存置換算法便將最近最少使用且是dirty的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中，并將data10加載到cpu cache里：

可以看出這種寫法如果出現(xiàn)在毫秒級的斷電場景可能存在數(shù)據(jù)丟失問題，又因?yàn)檠舆t寫的原因，對應(yīng)的數(shù)據(jù)加載在讀未命中的情況下存在兩次操作：

• 將需要置換的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。
• 將需要加載的數(shù)據(jù)拉到cpu cache。

這里我們也補(bǔ)充一下幾種比較常見的緩存置換算法：

• Belady異常（Belady’s Anomaly）
• 最近最少使用（Least Recently Used Algorithm）
• 先進(jìn)先出（FIFO）
• 后進(jìn)先出（LIFO)

二、詳解CPU緩存一致性問題

1.多核心緩存修改問題

當(dāng)一臺計算機(jī)由多核CPU構(gòu)成的時候，每個CPU都從內(nèi)存里加載相同的變量i(初值為0)進(jìn)行累加操作，我們試想這種情況：

• CPU-0加載內(nèi)存變量i值為0。
• CPU-0自增為1準(zhǔn)備寫回內(nèi)存。
• CPU-1加載內(nèi)存變量i值為0。
• CPU-1自增為1準(zhǔn)備寫回內(nèi)存。 兩次自增得到結(jié)果1，這就是經(jīng)典的緩存一致性問題：

而解決這個問題我們只要攻破以下兩點(diǎn)問題即可：

• 寫傳播問題：即當(dāng)前Cache中修改的值要讓其他CPU知道
• 事務(wù)串行化：例如CPU1先將變量i改為100，CPU2再將基于當(dāng)前變量i的值乘2。我們必須保證變量i先加100，再乘2。

2.總線嗅探（Bus Snooping）

總線嗅探是解決寫傳播的解決方案，舉個例子，當(dāng)CPU1更新Cache中變量i的值時，就會通知其他核心變量i已被修改，當(dāng)其他CPU發(fā)現(xiàn)自己Cache中也有這個值的時候就會將CPU1中cache的結(jié)果更新到自己的cache中。 這種方式缺點(diǎn)很明顯，CPU必須無時不刻監(jiān)聽變化，而且出現(xiàn)變化的數(shù)據(jù)自己還不一定有，這樣的作法增加了總線的壓力：

而且也不能保證事務(wù)串行化，如下圖，CPU-0加載了變量修改了值通知其他CPU這個值有變化了。 而CPU-1也改了i的值，按照正常的邏輯CPU-2、CPU-3的值應(yīng)該是先變?yōu)?00在變?yōu)?00。 但是CPU-3先收到CPU-2的通知先改為200再收到CPU-0的通知變?yōu)?00，這就導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致的問題，即事務(wù)串行化失敗:

3.MESI協(xié)議如何解決上述問題

MESI是總線嗅探的改良版，他很好的解決了總線的帶寬壓力，以及很好的解決了數(shù)據(jù)一致性問題。 在介紹MESI之前，我們必須了解以下MESI是什么。

• M(Modified，已修改)，MESI第一個字母M，代表著CPU當(dāng)前L1 cache中某個變量i的狀態(tài)被修改了，而且這個數(shù)據(jù)在其他核心中都沒有。
• E(Exclusive，獨(dú)占)，說白了就是CPUA將數(shù)據(jù)加載自己的L1 cache時，其他核心的cache中并沒有這個數(shù)據(jù)，所以CPUA將這個數(shù)據(jù)加載到自己的cache時標(biāo)記為E。
• (S：Shared，共享):說明CPUA在加載這個數(shù)據(jù)時，其他CPU已經(jīng)加載過這個數(shù)據(jù)了，這時CPUA就會從其他CPU中拿到這個數(shù)據(jù)并加載到L1 cache中，并且所有擁有這個值的CPU都會將cache中的這個值標(biāo)記為S。
• (I：Invalidated，已失效):當(dāng)CPUA修改了L1 cache中的變量i時，發(fā)現(xiàn)這個值是S即共享的數(shù)據(jù)，那么就需要通知其他核心這個數(shù)據(jù)被改了，其他CPU都需要將cache中的這個值標(biāo)為I，后面要操作的時，必須拿到最新的數(shù)據(jù)在進(jìn)行操作。

好了介紹完這幾個狀態(tài)之后，我們不妨用一個例子過一下這個流程：

• CPU-0要加載變量i，發(fā)現(xiàn)變量i不在cache中，于是去內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)，此時通過總線發(fā)個消息給其他核心，其他核心的cache中并沒有這條數(shù)據(jù)，所以這個變量的cache中的狀態(tài)為E(獨(dú)占)。
• CPU-1也加載這個數(shù)據(jù)了，在總線上發(fā)了個消息，發(fā)現(xiàn)CPU-0有這個數(shù)據(jù)且并沒有修改或者失效的標(biāo)志，于是他們一起將這個變量i狀態(tài)設(shè)置為S(共享)
• CPU-0要改變量i值了，發(fā)消息給其他核心，其他核心收到消息將自己的變量i設(shè)置為I(無效)，CPU-0改完后將數(shù)據(jù)設(shè)置為M(已修改)
• CPU-0又要改變量i的值了，而且看到變量i的狀態(tài)為M(已修改)，說明這個值是最新的數(shù)據(jù)，所以不發(fā)消息給其他核心了，直接更新即可。
• CPU-1要加載變量i，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)為I，于是CPU-0將值寫回內(nèi)存，此時狀態(tài)為E，然后CPU-1讀取這個值，大家狀態(tài)都變?yōu)镾共享。
• CPU-0要加載新的變量i了，而且變量x要使用的cache空間正是變量i的，所以CPU-0將值寫回內(nèi)存中，這時候內(nèi)存和最新數(shù)據(jù)同步了。

三、小結(jié)

自此，我們從多核CPU體系結(jié)構(gòu)所引發(fā)緩存一致性問題為入手，再從總線嗅探到MESI協(xié)議深度講解了緩存一致性問題的解決方案，希望對你有幫助。