Cache一致性協議與MESI(2)

Write invalidate提供了實現Cache一致性的簡單思想，處理器上會有一套完整的協議，來保證Cache一致性。比較經典的Cache一致性協議當屬MESI協議，奔騰處理器有使用它，不少其餘的處理器都是使用它的變種。

單核處理器Cache中每一個Cache line有2個標誌：dirty和valid標誌，它們很好的描述了Cache和Memory(內存)之間的數據關係(數據是否有效，數據是否被修改)，而在多核處理器中，多個核會共享一些數據，MESI協議就包含了描述共享的狀態。

在MESI協議中，每一個Cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：

狀態	描述
M(Modified)	這行數據有效，數據被修改了，和內存中的數據不一致，數據只存在於本Cache中。
E(Exclusive)	這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據只存在於本Cache中。
S(Shared)	這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據存在於不少Cache中。
I(Invalid)	這行數據無效

MESI狀態

M(Modified)和E(Exclusive)狀態的Cache line，數據是獨有的，不一樣點在於M狀態的數據是dirty的(和內存的不一致)，E狀態的數據是clean的(和內存的一致)。

S(Shared)狀態的Cache line，數據和其餘的Cache共享。只有clean的數據才能被多個Cache共享。

I(Invalid)表示這個Cache line無效。

E狀態示例以下：

E狀態

只有Core 0訪問變量x，它的Cache line狀態爲E(Exclusive)。

S狀態示例以下：

S狀態

3個Core都訪問變量x，它們對應的Cache line爲S(Shared)狀態。

M狀態和I狀態示例以下：

M狀態和I狀態

Core 0修改了x的值以後，這個Cache line變成了M(Modified)狀態，其餘Core對應的Cache line變成了I(Invalid)狀態。
在MESI協議中，每一個Cache的Cache控制器不只知道本身的讀寫操做，並且也監聽(snoop)其它Cache的讀寫操做。每一個Cache line所處的狀態根據本核和其它核的讀寫操做在4個狀態間進行遷移。

MESI協議狀態遷移圖以下：

MESI協議狀態遷移圖

在上圖中，Local Read表示本內核讀本Cache中的值，Local Write表示本內核寫本Cache中的值，Remote Read表示其它內核讀其它Cache中的值，Remote Write表示其它內核寫其它Cache中的值，箭頭表示本Cache line狀態的遷移，環形箭頭表示狀態不變。

MESI狀態之間的遷移過程以下：

當前狀態	事件	行爲	下一個狀態
I(Invalid)	Local Read	從Memory中取數據， 狀態變成E	E
Local Write	從Memory中取數據，在Cache中修改， 狀態變成M	M
Remote Read	既然是Invalid，別的核的操做與它無關	I
Remote Write	既然是Invalid，別的核的操做與它無關	I
E(Exclusive)	Local Read	從Cache中取數據， 狀態不變	E
Local Write	修改Cache中的數據， 狀態變成M	M
Remote Read	數據和其餘核共用，狀態變成了S	S
Remote Write	數據被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I	I
S(Shared)	Local Read	從Cache中取數據， 狀態不變	S
Local Write	修改Cache中的數據， 狀態變成M， 其餘核共享的Cache line置無效	M
Remote Read	狀態不變	S
Remote Write	數據被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I	I
M(Modified)	Local Read	從Cache中取數據， 狀態不變	M
Local Write	修改Cache中的數據，狀態不變	M
Remote Read	這行數據被寫到內存中，使其它核能使用到最新的數據， 狀態變成S	S
Remote Write	這行數據被寫到內存中，使其它核能使用到最新的數據，因爲其它核會修改這行數據， 狀態變成I	I

MESI狀態遷移

AMD的Opteron處理器使用從MESI中演化出的MOSEI協議，O(Owned)是MESI中S和M的一個合體，表示本Cache line被修改，和內存中的數據不一致，不過其它的核能夠有這份數據的拷貝，狀態爲S。

Intel的core i7處理器使用從MESI中演化出的MSEIF協議，F(Forward)從Share中演化而來，一個Cache line若是是Forward狀態，它能夠把數據直接傳給其它內核的Cache，而Share則不能。