快取一致性問題——MESI
Cache一致性協議之MESI
處理器上有一套完整的協議，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，很多其他的處理器都是使用它的變種。
單核Cache中每個Cache line有2個標誌：dirty和valid標誌，它們很好的描述了Cache和Memory(記憶體)之間的資料關係(資料是否有效，資料是否被修改)，而在多核處理器中，多個核會共享一些資料，MESI協議就包含了描述共享的狀態。
在MESI協議中，每個Cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：
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狀態 |
描述 |
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M(Modified) |
這行資料有效，資料被修改了，和記憶體中的資料不一致，資料只存在於本Cache中。 |
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E(Exclusive) |
這行資料有效，資料和記憶體中的資料一致，資料只存在於本Cache中。 |
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S(Shared) |
這行資料有效，資料和記憶體中的資料一致，資料存在於很多Cache中。 |
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I(Invalid) |
這行資料無效。 |
MESI狀態
M(Modified)和E(Exclusive)狀態的Cache line，資料是獨有的，不同點在於M狀態的資料是dirty的(和記憶體的不一致)，E狀態的資料是clean的(和記憶體的一致)。
S(Shared)狀態的Cache line，資料和其他Core的Cache共享。只有clean的資料才能被多個Cache共享。
I(Invalid)表示這個Cache line無效。
E狀態示例如下：
E狀態
只有Core 0訪問變數x，它的Cache line狀態為E(Exclusive)。
S狀態示例如下：
S狀態
3個Core都訪問變數x，它們對應的Cache line為S(Shared)狀態。
M狀態和I狀態示例如下：
M狀態和I狀態
Core 0修改了x的值之後，這個Cache line變成了M(Modified)狀態，其他Core對應的Cache line變成了I(Invalid)狀態。
在MESI協議中，每個Cache的Cache控制器不僅知道自己的讀寫操作，而且也監聽(snoop)其它Cache的讀寫操作。每個Cache line所處的狀態根據本核和其它核的讀寫操作在4個狀態間進行遷移。
MESI協議狀態遷移圖如下：
MESI協議狀態遷移圖
在上圖中，Local Read表示本核心讀本Cache中的值，Local Write表示本核心寫本Cache中的值，Remote Read表示其它核心讀其它Cache中的值，Remote Write表示其它核心寫其它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。
當核心需要訪問的資料不在本Cache中，而其它Cache有這份資料的備份時，本Cache既可以從記憶體中匯入資料，也可以從其它Cache中匯入資料，不同的處理器會有不同的選擇。MESI協議為了使自己更加通用，沒有定義這些細節，只定義了狀態之間的遷移，下面的描述假設本Cache從記憶體中匯入資料。
MESI狀態之間的遷移過程如下：
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當前狀態 |
事件 |
行為 |
下一個狀態 |
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I(Invalid) |
Local Read |
如果其它Cache沒有這份資料，本Cache從記憶體中取資料，Cache line狀態變成E； 如果其它Cache有這份資料，且狀態為M，則將資料更新到記憶體，本Cache再從記憶體中取資料，2個Cache 的Cache line狀態都變成S； 如果其它Cache有這份資料，且狀態為S或者E，本Cache從記憶體中取資料，這些Cache 的Cache line狀態都變成S |
E/S |
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Local Write |
從記憶體中取資料，在Cache中修改，狀態變成M； 如果其它Cache有這份資料，且狀態為M，則要先將資料更新到記憶體； 如果其它Cache有這份資料，則其它Cache的Cache line狀態變成I |
M |
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Remote Read |
既然是Invalid，別的核的操作與它無關 |
I |
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Remote Write |
既然是Invalid，別的核的操作與它無關 |
I |
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E(Exclusive) |
Local Read |
從Cache中取資料，狀態不變 |
E |
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Local Write |
修改Cache中的資料，狀態變成M |
M |
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Remote Read |
資料和其它核共用，狀態變成了S |
S |
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Remote Write |
資料被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I |
I |
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S(Shared) |
Local Read |
從Cache中取資料，狀態不變 |
S |
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Local Write |
修改Cache中的資料，狀態變成M， 其它核共享的Cache line狀態變成I |
M |
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Remote Read |
狀態不變 |
S |
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Remote Write |
資料被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I |
I |
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M(Modified) |
Local Read |
從Cache中取資料，狀態不變 |
M |
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Local Write |
修改Cache中的資料，狀態不變 |
M |
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Remote Read |
這行資料被寫到記憶體中，使其它核能使用到最新的資料，狀態變成S |
S |
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Remote Write |
這行資料被寫到記憶體中，使其它核能使用到最新的資料，由於其它核會修改這行資料， 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MOESI協議，O(Owned)是MESI中S和M的一個合體，表示本Cache line被修改，和記憶體中的資料不一致，不過其它的核可以有這份資料的拷貝，狀態為S。
Intel的core i7處理器使用從MESI中演化出的MESIF協議，F(Forward)從Share中演化而來，一個Cache line如果是Forward狀態，它可以把資料直接傳給其它核心的Cache，而Share則不能。