缓存一致性协议（MESI）

今天药忘吃喽~ 2021-08-29 16:37 470阅读 0赞

在目前主流的计算机中，cpu执行计算的主要流程如图所示：

![format_png][]

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

2.将程序和数据从内存加载到缓存中(目前多三级缓存，数据加载顺序:L3->L2->L1)

3.CPU将缓存中的数据加载到寄存器中，并进行运算

4.CPU会将数据刷新回缓存，并在一定的时间周期之后刷新回内存

缓存一致性协议发展背景  
现在的CPU基本都是多核CPU，服务器更是提供了多CPU的支持，而每个核心也都有自己独立的缓存，当多个核心同时操作多个线程对同一个数据进行更新时，如果核心2在核心1还未将更新的数据刷回内存之前读取了数据，并进行操作，就会造成程序的执行结果造成随机性的影响，这对于我们来说是无法容忍的。

而总线加锁是对整个内存进行加锁，在一个核心对一个数据进行修改的过程中，其他的核心也无法修改内存中的其他数据，这样对导致CPU处理性能严重下降。

缓存一致性协议提供了一种高效的内存数据管理方案，它只会对单个缓存行（缓存行是缓存中数据存储的基本单元）的数据进行加锁，不会影响到内存中其他数据的读写。

因此，我们引入了缓存一致性协议来对内存数据的读写进行管理。

MESI协议  
缓存一致性协议有MSI，MESI，MOSI，Synapse，Firefly及DragonProtocol等等，接下来我们主要介绍MESI协议。

MESI分别代表缓存行数据所处的四种状态，通过对这四种状态的切换，来达到对缓存数据进行管理的目的。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>状态&nbsp;</td> 
   <td>描述&nbsp;</td> 
   <td>监听任务</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>M 修改（Modify）</td> 
   <td>该缓存行有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本缓存行中</td> 
   <td>缓存行必须时刻监听所有试图读该缓存行相对应的内存的操作，其他缓存须在本缓存行写回内存并将状态置为E之后才能操作该缓存行对应的内存数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>E 独享、互斥（Exclusive）</td> 
   <td>该缓存行有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本缓存行中</td> 
   <td>缓存行必须监听其他缓存读主内存中该缓存行相对应的内存的操作，一旦有这种操作，该缓存行需要变成S状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>S 共享（Shared）</td> 
   <td>该缓存行有效，数据和内存中的数据一致，数据同时存在于其他缓存中</td> 
   <td>缓存行必须监听其他缓存是该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，并将该缓存行置为I状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>I 无效（Invalid）</td> 
   <td>该缓存行数据无效</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

备注：

1.MESI协议只对汇编指令中执行加锁操作的变量有效，表现到java中为使用voliate关键字定义变量或使用加锁操作

2.对于汇编指令中执行加锁操作的变量，MESI协议在以下两种情况中也会失效：

一、CPU不支持缓存一致性协议。

二、该变量超过一个缓存行的大小，缓存一致性协议是针对单个缓存行进行加锁，此时，缓存一致性协议无法再对该变量进行加锁，只能改用总线加锁的方式。

MESI工作原理：（此处统一默认CPU为单核CPU，在多核CPU内部执行过程和一下流程一致）

1、CPU1从内存中将变量a加载到缓存中，并将变量a的状态改为E（独享），并通过总线嗅探机制对内存中变量a的操作进行嗅探

![format_png 1][]

2、此时，CPU2读取变量a，总线嗅探机制会将CPU1中的变量a的状态置为S（共享），并将变量a加载到CPU2的缓存中，状态为S

![format_png 2][]

3、CPU1对变量a进行修改操作，此时CPU1中的变量a会被置为M（修改）状态，而CPU2中的变量a会被通知，改为I（无效）状态，此时CPU2中的变量a做的任何修改都不会被写回内存中（高并发情况下可能出现两个CPU同时修改变量a，并同时向总线发出将各自的缓存行更改为M状态的情况，此时总线会采用相应的裁决机制进行裁决，将其中一个置为M状态，另一个置为I状态，且I状态的缓存行修改无效）

![format_png 3][]

4、CPU1将修改后的数据写回内存，并将变量a置为E（独占）状态

![format_png 4][]

5、此时，CPU2通过总线嗅探机制得知变量a已被修改，会重新去内存中加载变量a，同时CPU1和CPU2中的变量a都改为S状态

![format_png 5][]

在上述过程第3步中，CPU2的变量a被置为I（无效）状态后，只是保证变量a的修改不会被写回内存，但CPU2有可能会在CPU1将变量a置为E（独占）状态之前重新读取内存中的变量a，这个取决于汇编指令是否要求CPU2重新加载内存。

总结  
以上就是MESI的执行原理，MESI协议只能保证并发编程中的可见性，并未解决原子性和有序性的问题，所以只靠MESI协议是无法完全解决多线程中的所有问题。  
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原文链接：https://blog.csdn.net/alignjava/article/details/99070162

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