MESI协议

MESI协议是基于Invalidate的高速缓存一致性协议，并且是支持回写高速缓存的最常用协议之一

此外还有一些其他的缓存一致性协议比如：MSI，MOSI，Synapse，Firefly及DragonProtocol等等

主流的计算机cpu执行，简要流程

如下图所示：

执行数据加载的流程如下：

1. 将程序和数据从硬盘加载到内存中去
2. 将数据从内存中加载到CPU的缓存中去，大多为三级缓存（L3 -> L2 -> L1）
3. CPU取缓存中的数据，加载到寄存器中，进行计算
4. CPU将计算完成的数据刷新回缓存，在一定的条件会刷新回内存中去，保持数据的一致性

为什么需要缓存一致性协议

在现在CPU多为多核的情况下，每个核心有自己单独的缓存区，当多个核心一起操作多个线程对同一个数据进行操作时，如果在核心B在核心A把修改完之后的数据刷新回内存中去之前，进行了数据的操作，就会导致数据的不确定性。

总线加锁可以解决这种情况，但是在加锁的时候，在一个核心操作该数据完成前，其他核心也无法修改其他数据，这会导致CPU的性能严重下降。

缓存一致性协议只会对单个的缓存行进行类似加锁的操作，来进可能的保证数据的一致性

MESI的状态

MESI的四个字母就是标记缓存行的四种状态 M E S I

状态	描述	状态改变条件
M 修改 （Modify）	表示该缓存行有效，但是是被更改过的，与内存中的数据并不一致，并且该缓存行只存在于本缓存中（举例：我们有三个CPU，每个CPU都有自己的缓存区域，那么M表示CPU-A从内存中取到了数据，其他CPU并没有取此数据（只存在于本缓存中），CPU-A还把该数据进行了更改，导致与内存中的源数据并不一致）	当有其他试图读取该缓存在内存中的源数据时，它们须等待此缓存写回到内存，这时此缓存行的状态为S
E 独占 （Exclusive）	表示该缓存行有效，数据和内存中的一致（干净），并且数据只存在于本缓存行中	如果有相应的其他读取内存中关于本缓存行的操作时，会将自身的状态更改为S。
S 共享 （Shared）	表示该缓存行有效，数据和内存中的一致，并且数据也同时存在于其他缓存中	如果其他缓存将该数据在它当前所在的缓存区域内将缓存修改，那么其他没有修改的缓存就需要把S状态修改为I状态
I 无效 （Invalid）	该缓存行数据无效

那么接下来我们来看几张图来理解这几个状态：

M （修改）和 E （独占）的描述（不包括状态改变条件）

我们先只关心CPU-1 的操作步骤

1. 我们先发出了一条指令，要读取内存中a0的数据
2. 我们经过总线等步骤，来到了内存
3. 我们从内存中取到了数据并放入到了缓存中，此时这个缓存行的状态为E （独占，只存在于当前数据行中，并且干净）
4. CPU获得数据

5. 我们这个时候选择了修改a0的数据，那么我们就会直接修改位于我们当下缓冲区中数据

   此时我们修改成功，a0的数据状态成功的变为了M （缓存行有效，只存在于当前缓存行中，于内存中的不一致）

   我们来看下内存中目前的a0数据：

   

S（共享）

1. 我们直接用CPU-0、CPU-1、CPU-2 都发出了read a0的指令，那么此时它们三个的缓冲区都有此数据，并且都没有修改是干净的，那么它们的状态就都为S

M （修改）状态改变条件描述

此时我们先在CPU-1中读取并修改了a0所以它的目前状态为M（修改）

接下来我们在CPU-0中读取位于内存中的a0数据，看看会发生什么？

1. CPU-0发出read a0的指令，这个时候通过数据总线（ADDRESS BUS）对CUP-1的数据进行同步
2. 第一步这个时候CPU-1中M状态的a0数据状态修改为S（共享）这个时候开始把数据与内存中的数据进行同步

​ 第二步，这个时候内存中同步了被修改的数据，然后被CPU-0进行读取，并把S状态的数据放入自己的缓存，然后读取a0，执行完毕

E（独占）状态改变条件描述

此时只有CPU-1有a0这个数据，所以它是符合E（独占）的状态

接下来让我们再用CPU-0来读取a0来看看

不出所料当CPU-0读取数据的时候，它们就符合了共享的条件，那么它们的状态就会更改为S

S （共享） 状态改变条件描述

此时我们三个CPU都拥有a0的数据缓存，所以它们的状态都有S（共享），那么我们写入其中一个数据

当我们更改了CPU-1的数据时，我们会同步内存中的数据，使其保持最新，然后把其他CPU中的缓存数据状态置为I（无效、该缓存行无效）的状态

MESI的缺点

如果由特定块上的各种高速缓存执行连续读取和写入操作，则每次都必须将数据刷新到总线上。因此，主存储器将在每次冲洗时拉动它并保持清洁状态。但这不是一项要求，只是由于MESI的实施而导致的额外开销。 MOESI协议克服了这一挑战