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Cache 一致性

Write invalidate提供了实现Cache一致性的简单思想,处理器上会有一套完整的协议,来保证Cache一致性。比较经典的Cache一致性协议当属MESI协议,奔腾处理器有使用它,很多其他的处理器都是使用它的变种。

单核处理器Cache中每个Cache line有2个标志:dirty和valid标志,它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效,数据是否被修改), 而在多核处理器中,多个核会共享一些数据,MESI协议就包含了描述共享的状态。

在MESI协议中,每个Cache line有4个状态,可用2个bit表示,它们分别是:

状态 描述

M(Modified) :这行数据有效,数据被修改了,和内存中的数据不一致,数据只存在于本Cache中。

E(Exclusive):这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据只存在于本Cache中。

S(Shared):这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据存在于很多Cache中。

I(Invalid) :这行数据无效

MESI状态

M(Modified)和E(Exclusive)状态的Cache line,数据是独有的,不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致),E状态的数据是clean的(和内存的一致)。

S(Shared)状态的Cache line,数据和其他的Cache共享。只有clean的数据才能被多个Cache共享。

I(Invalid)表示这个Cache line无效。

E状态示例如下:

Cache 一致性

E状态

只有Core 0访问变量x,它的Cache line状态为E(Exclusive)。

S状态示例如下:

Cache 一致性

S状态

3个Core都访问变量x,它们对应的Cache line为S(Shared)状态。

M状态和I状态示例如下:

Cache 一致性

M状态和I状态

Core 0修改了x的值之后,这个Cache line变成了M(Modified)状态,其他Core对应的Cache line变成了I(Invalid)状态。

在MESI协议中,每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作,而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。

MESI协议状态迁移图如下:

Cache 一致性
MESI协议状态迁移图
           

在上图中,Local Read表示本内核读本Cache中的值,Local Write表示本内核写本Cache中的值,Remote Read表示其它内核读其它Cache中的值,Remote Write表示其它内核写其它Cache中的值,箭头表示本Cache line状态的迁移,环形箭头表示状态不变。

MESI状态之间的迁移过程如下:

Cache 一致性

AMD的Opteron处理器使用从MESI中演化出的MOSEI协议,O(Owned)是MESI中S和M的一个合体,表示本Cache line被修改,和内存中的数据不一致,不过其它的核可以有这份数据的拷贝,状态为S。

Intel的core i7处理器使用从MESI中演化出的MSEIF协议,F(Forward)从Share中演化而来,一个Cache line如果是Forward状态,它可以把数据直接传给其它内核的Cache,而Share则不能。