緩存一致性協(xié)議（MESI）

在目前主流的計(jì)算機(jī)中兼蕊，cpu執(zhí)行計(jì)算的主要流程如圖所示：

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數(shù)據(jù)加載的流程如下：

1.將程序和數(shù)據(jù)從硬盤加載到內(nèi)存中

2.將程序和數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到緩存中(目前多三級緩存，數(shù)據(jù)加載順序:L3->L2->L1)

3.CPU將緩存中的數(shù)據(jù)加載到寄存器中映胁，并進(jìn)行運(yùn)算

4.CPU會將數(shù)據(jù)刷新回緩存房午，并在一定的時間周期之后刷新回內(nèi)存

緩存一致性協(xié)議發(fā)展背景
現(xiàn)在的CPU基本都是多核CPU，服務(wù)器更是提供了多CPU的支持，而每個核心也都有自己獨(dú)立的緩存昧互，當(dāng)多個核心同時操作多個線程對同一個數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時挽铁，如果核心2在核心1還未將更新的數(shù)據(jù)刷回內(nèi)存之前讀取了數(shù)據(jù)，并進(jìn)行操作敞掘，就會造成程序的執(zhí)行結(jié)果造成隨機(jī)性的影響叽掘，這對于我們來說是無法容忍的。

而總線加鎖是對整個內(nèi)存進(jìn)行加鎖玖雁，在一個核心對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的過程中更扁，其他的核心也無法修改內(nèi)存中的其他數(shù)據(jù)，這樣對導(dǎo)致CPU處理性能嚴(yán)重下降赫冬。

緩存一致性協(xié)議提供了一種高效的內(nèi)存數(shù)據(jù)管理方案浓镜，它只會對單個緩存行（緩存行是緩存中數(shù)據(jù)存儲的基本單元）的數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，不會影響到內(nèi)存中其他數(shù)據(jù)的讀寫劲厌。

因此膛薛，我們引入了緩存一致性協(xié)議來對內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫進(jìn)行管理。

MESI協(xié)議
緩存一致性協(xié)議有MSI补鼻，MESI哄啄，MOSI，Synapse风范，F(xiàn)irefly及DragonProtocol等等咨跌，接下來我們主要介紹MESI協(xié)議。

MESI分別代表緩存行數(shù)據(jù)所處的四種狀態(tài)乌企，通過對這四種狀態(tài)的切換虑润，來達(dá)到對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的目的。

| 狀態(tài) | 描述 | 監(jiān)聽任務(wù) |
| M 修改（Modify） | 該緩存行有效加酵，數(shù)據(jù)被修改了拳喻，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只存在于本緩存行中 | 緩存行必須時刻監(jiān)聽所有試圖讀該緩存行相對應(yīng)的內(nèi)存的操作猪腕，其他緩存須在本緩存行寫回內(nèi)存并將狀態(tài)置為E之后才能操作該緩存行對應(yīng)的內(nèi)存數(shù)據(jù) |
| E 獨(dú)享冗澈、互斥（Exclusive） | 該緩存行有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致陋葡，數(shù)據(jù)只存在于本緩存行中 | 緩存行必須監(jiān)聽其他緩存讀主內(nèi)存中該緩存行相對應(yīng)的內(nèi)存的操作亚亲，一旦有這種操作，該緩存行需要變成S狀態(tài) |
| S 共享（Shared） | 該緩存行有效腐缤，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致捌归，數(shù)據(jù)同時存在于其他緩存中 | 緩存行必須監(jiān)聽其他緩存是該緩存行無效或者獨(dú)享該緩存行的請求，并將該緩存行置為I狀態(tài) |
| I 無效（Invalid） | 該緩存行數(shù)據(jù)無效 | 無 |

備注：

1.MESI協(xié)議只對匯編指令中執(zhí)行加鎖操作的變量有效岭粤，表現(xiàn)到j(luò)ava中為使用voliate關(guān)鍵字定義變量或使用加鎖操作

2.對于匯編指令中執(zhí)行加鎖操作的變量惜索，MESI協(xié)議在以下兩種情況中也會失效：

 一、CPU不支持緩存一致性協(xié)議剃浇。

 二巾兆、該變量超過一個緩存行的大小猎物，緩存一致性協(xié)議是針對單個緩存行進(jìn)行加鎖，此時角塑，緩存一致性協(xié)議無法再對該變量進(jìn)行加鎖蔫磨，只能改用總線加鎖的方式。

MESI工作原理：（此處統(tǒng)一默認(rèn)CPU為單核CPU圃伶，在多核CPU內(nèi)部執(zhí)行過程和一下流程一致）

1、CPU1從內(nèi)存中將變量a加載到緩存中留攒，并將變量a的狀態(tài)改為E（獨(dú)享）煤惩，并通過總線嗅探機(jī)制對內(nèi)存中變量a的操作進(jìn)行嗅探

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2、此時炼邀，CPU2讀取變量a魄揉，總線嗅探機(jī)制會將CPU1中的變量a的狀態(tài)置為S（共享），并將變量a加載到CPU2的緩存中拭宁，狀態(tài)為S

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3洛退、CPU1對變量a進(jìn)行修改操作，此時CPU1中的變量a會被置為M（修改）狀態(tài)杰标，而CPU2中的變量a會被通知兵怯，改為I（無效）狀態(tài)，此時CPU2中的變量a做的任何修改都不會被寫回內(nèi)存中（高并發(fā)情況下可能出現(xiàn)兩個CPU同時修改變量a腔剂，并同時向總線發(fā)出將各自的緩存行更改為M狀態(tài)的情況媒区，此時總線會采用相應(yīng)的裁決機(jī)制進(jìn)行裁決，將其中一個置為M狀態(tài)掸犬，另一個置為I狀態(tài)袜漩，且I狀態(tài)的緩存行修改無效）

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4、CPU1將修改后的數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存湾碎，并將變量a置為E（獨(dú)占）狀態(tài)

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5宙攻、此時，CPU2通過總線嗅探機(jī)制得知變量a已被修改介褥，會重新去內(nèi)存中加載變量a座掘，同時CPU1和CPU2中的變量a都改為S狀態(tài)

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在上述過程第3步中，CPU2的變量a被置為I（無效）狀態(tài)后柔滔，只是保證變量a的修改不會被寫回內(nèi)存溢陪，但CPU2有可能會在CPU1將變量a置為E（獨(dú)占）狀態(tài)之前重新讀取內(nèi)存中的變量a，這個取決于匯編指令是否要求CPU2重新加載內(nèi)存睛廊。

總結(jié)
以上就是MESI的執(zhí)行原理嬉愧，MESI協(xié)議只能保證并發(fā)編程中的可見性，并未解決原子性和有序性的問題喉前，所以只靠MESI協(xié)議是無法完全解決多線程中的所有問題没酣。
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