CPU Cache 通常分為三級緩存：L1 Cache权她、L2 Cache虹茶、L3 Cache，級別越低的離 CPU 核心越近隅要，訪問速度也快蝴罪，但是存儲容量相對就會越小。其中步清，在多核心的 CPU 里要门，每個核心都有各自的 L1/L2 Cache，而 L3 Cache 是所有核心共享使用的尼啡。
多核CPU同時工作的時候暂衡，每個核心都會從內(nèi)存中讀取一份數(shù)據(jù)并緩存到自己的Cache中，當發(fā)生寫操作的時候崖瞭，有兩種情況
1狂巢、寫直達，只要有數(shù)據(jù)寫入书聚，都會直接把數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存里面唧领，這種方式簡單直觀藻雌，但是性能就會受限于內(nèi)存的訪問速度；
2斩个、寫回胯杭，對于已經(jīng)緩存在 Cache 的數(shù)據(jù)的寫入，只需要更新其數(shù)據(jù)就可以受啥，不用寫入到內(nèi)存做个，只有在需要把緩存里面的臟數(shù)據(jù)交換出去的時候，才把數(shù)據(jù)同步到內(nèi)存里滚局，這種方式在緩存命中率高的情況居暖，性能會更好；
上面的操作帶來的問題是當一個核心的數(shù)據(jù)發(fā)生改變的時候藤肢，其他核心并不知道太闺，仍然在用舊的數(shù)據(jù)進行讀寫操作，導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問題
要想解決數(shù)據(jù)不一致問題嘁圈，只要兩個方面
第一點是寫傳播省骂，也就是當某個 CPU 核心發(fā)生寫入操作時，需要把該事件廣播通知給其他核心最住；
第二點是事物的串行化钞澳，這個很重要，只有保證了這個温学，才能保障我們的數(shù)據(jù)是真正一致的略贮，我們的程序在各個不同的核心上運行的結果也是一致的；
MESI協(xié)議
MESI 協(xié)議其實是 4 個狀態(tài)單詞的開頭字母縮寫仗岖，分別是：
- Modified，已修改
- Exclusive览妖，獨占
- Shared轧拄，共享
- Invalidated，已失效
這四個狀態(tài)來標記 Cache Line 四個不同的狀態(tài)讽膏。
「已修改」狀態(tài)就是我們前面提到的臟標記檩电，代表該 Cache Block 上的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新過，但是還沒有寫到內(nèi)存里府树。而「已失效」狀態(tài)俐末，表示的是這個 Cache Block 里的數(shù)據(jù)已經(jīng)失效了，不可以讀取該狀態(tài)的數(shù)據(jù)奄侠。
「獨占」和「共享」狀態(tài)都代表 Cache Block 里的數(shù)據(jù)是干凈的卓箫，也就是說，這個時候 Cache Block 里的數(shù)據(jù)和內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)是一致性的垄潮。
「獨占」和「共享」的差別在于烹卒，獨占狀態(tài)的時候闷盔，數(shù)據(jù)只存儲在一個 CPU 核心的 Cache 里，而其他 CPU 核心的 Cache 沒有該數(shù)據(jù)旅急。這個時候逢勾，如果要向獨占的 Cache 寫數(shù)據(jù)，就可以直接自由地寫入藐吮，而不需要通知其他 CPU 核心溺拱，因為只有你這有這個數(shù)據(jù)，就不存在緩存一致性的問題了谣辞，于是就可以隨便操作該數(shù)據(jù)迫摔。
另外，在「獨占」狀態(tài)下的數(shù)據(jù)潦闲，如果有其他核心從內(nèi)存讀取了相同的數(shù)據(jù)到各自的 Cache 攒菠，那么這個時候，獨占狀態(tài)下的數(shù)據(jù)就會變成共享狀態(tài)歉闰。
那么辖众，「共享」狀態(tài)代表著相同的數(shù)據(jù)在多個 CPU 核心的 Cache 里都有，所以當我們要更新 Cache 里面的數(shù)據(jù)的時候和敬，不能直接修改凹炸，而是要先向所有的其他 CPU 核心廣播一個請求，要求先把其他核心的 Cache 中對應的 Cache Line 標記為「無效」狀態(tài)昼弟，然后再更新當前 Cache 里面的數(shù)據(jù)啤它。
我們舉個具體的例子來看看這四個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：
- 當 A 號 CPU 核心從內(nèi)存讀取變量 i 的值，數(shù)據(jù)被緩存在 A 號 CPU 核心自己的 Cache 里面舱痘，此時其他 CPU 核心的 Cache 沒有緩存該數(shù)據(jù)变骡，于是標記 Cache Line 狀態(tài)為「獨占」，此時其 Cache 中的數(shù)據(jù)與內(nèi)存是一致的芭逝；
- 然后 B 號 CPU 核心也從內(nèi)存讀取了變量 i 的值塌碌，此時會發(fā)送消息給其他 CPU 核心，由于 A 號 CPU 核心已經(jīng)緩存了該數(shù)據(jù)旬盯，所以會把數(shù)據(jù)返回給 B 號 CPU 核心台妆。在這個時候， A 和 B 核心緩存了相同的數(shù)據(jù)胖翰，Cache Line 的狀態(tài)就會變成「共享」接剩，并且其 Cache 中的數(shù)據(jù)與內(nèi)存也是一致的；
- 當 A 號 CPU 核心要修改 Cache 中 i 變量的值萨咳，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)對應的 Cache Line 的狀態(tài)是共享狀態(tài)懊缺，則要向所有的其他 CPU 核心廣播一個請求，要求先把其他核心的 Cache 中對應的 Cache Line 標記為「無效」狀態(tài)某弦，然后 A 號 CPU 核心才更新 Cache 里面的數(shù)據(jù)桐汤，同時標記 Cache Line 為「已修改」狀態(tài)而克，此時 Cache 中的數(shù)據(jù)就與內(nèi)存不一致了。
- 如果 A 號 CPU 核心「繼續(xù)」修改 Cache 中 i 變量的值怔毛，由于此時的 Cache Line 是「已修改」狀態(tài)员萍，因此不需要給其他 CPU 核心發(fā)送消息，直接更新數(shù)據(jù)即可拣度。
- 如果 A 號 CPU 核心的 Cache 里的 i 變量對應的 Cache Line 要被「替換」碎绎，發(fā)現(xiàn) Cache Line 狀態(tài)是「已修改」狀態(tài)，就會在替換前先把數(shù)據(jù)同步到內(nèi)存抗果。
所以筋帖，可以發(fā)現(xiàn)當 Cache Line 狀態(tài)是「已修改」或者「獨占」狀態(tài)時，修改更新其數(shù)據(jù)不需要發(fā)送廣播給其他 CPU 核心冤馏，這在一定程度上減少了總線帶寬壓力日麸。
事實上，整個 MESI 的狀態(tài)可以用一個有限狀態(tài)機來表示它的狀態(tài)流轉(zhuǎn)逮光。還有一點代箭，對于不同狀態(tài)觸發(fā)的事件操作，可能是來自本地 CPU 核心發(fā)出的廣播事件涕刚，也可以是來自其他 CPU 核心通過總線發(fā)出的廣播事件嗡综。下圖即是 MESI 協(xié)議的狀態(tài)圖：
總結
CPU 在讀寫數(shù)據(jù)的時候，都是在 CPU Cache 讀寫數(shù)據(jù)的杜漠，原因是 Cache 離 CPU 很近极景，讀寫性能相比內(nèi)存高出很多。對于 Cache 里沒有緩存 CPU 所需要讀取的數(shù)據(jù)的這種情況驾茴，CPU 則會從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)盼樟，并將數(shù)據(jù)緩存到 Cache 里面，最后 CPU 再從 Cache 讀取數(shù)據(jù)锈至。
而對于數(shù)據(jù)的寫入恤批，CPU 都會先寫入到 Cache 里面，然后再在找個合適的時機寫入到內(nèi)存裹赴，那就有「寫直達」和「寫回」這兩種策略來保證 Cache 與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性：
- 寫直達，只要有數(shù)據(jù)寫入诀浪，都會直接把數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存里面棋返，這種方式簡單直觀，但是性能就會受限于內(nèi)存的訪問速度雷猪；
- 寫回睛竣，對于已經(jīng)緩存在 Cache 的數(shù)據(jù)的寫入，只需要更新其數(shù)據(jù)就可以求摇，不用寫入到內(nèi)存射沟，只有在需要把緩存里面的臟數(shù)據(jù)交換出去的時候殊者，才把數(shù)據(jù)同步到內(nèi)存里，這種方式在緩存命中率高的情況验夯，性能會更好猖吴；
當今 CPU 都是多核的，每個核心都有各自獨立的 L1/L2 Cache挥转，只有 L3 Cache 是多個核心之間共享的海蔽。所以，我們要確保多核緩存是一致性的绑谣，否則會出現(xiàn)錯誤的結果党窜。
要想實現(xiàn)緩存一致性，關鍵是要滿足 2 點：
- 第一點是寫傳播借宵，也就是當某個 CPU 核心發(fā)生寫入操作時幌衣，需要把該事件廣播通知給其他核心；
- 第二點是事物的串行化壤玫，這個很重要豁护，只有保證了這個，才能保障我們的數(shù)據(jù)是真正一致的垦细，我們的程序在各個不同的核心上運行的結果也是一致的择镇；
基于總線嗅探機制的 MESI 協(xié)議，就滿足上面了這兩點括改，因此它是保障緩存一致性的協(xié)議腻豌。
MESI 協(xié)議，是已修改嘱能、獨占吝梅、共享、已失效這四個狀態(tài)的英文縮寫的組合惹骂。整個 MSI 狀態(tài)的變更苏携，則是根據(jù)來自本地 CPU 核心的請求，或者來自其他 CPU 核心通過總線傳輸過來的請求对粪，從而構成一個流動的狀態(tài)機右冻。另外，對于在「已修改」或者「獨占」狀態(tài)的 Cache Line著拭，修改更新其數(shù)據(jù)不需要發(fā)送廣播給其他 CPU 核心纱扭。
