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这是本周期内系列打卡文章的所有文章的目录

• 《Go 并发数据结构和算法实践》学习笔记 Day 1
• 《Go 并发数据结构和算法实践》学习笔记 Day 2
• 《说透芯片》学习笔记 Day 3

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

学习内容：https://time.geekbang.org/column/article/109874
主客体之间的联系：
这次了解了工作中遇到的多核缓存一致性问题，在GEM5 RISC-V多核仿真环境中，多核共享内存的体系结构。在内存池分配算法时会遇到多核竞争和缓存一致性的问题。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、多核缓存一致性从何而来（What）

这点文章解释得很清楚，我用文中的图和自己的文字来简要串一下。

结构上，多核 CPU 里的每一个 CPU 核，都有独立的属于自己的 L1 Cache 和 L2 Cache。多个 CPU 之间，只是共用 L3 Cache 和主内存。

当多个核上，去更新各自的缓存时，其实跟缓存的策略有关：写更新、写穿透。写更新策略，就好遇到多核缓存一致性的问题。

顺便提一下基础问题，为啥CPU有几级缓存：CPU Cache 解决的是内存访问速度和 CPU 的速度差距太大的问题。

Step1:

Step2:

当一个核更新缓存时，另一个核的cacheline也更新了，如果这些更新在第三个核可见，那它的观测会以哪个为准？这其中有时序问题、有可见性。

二、怎么解决（How、Why）：总线嗅探机制 + MESI 协议

1. 引入机制：写传播与事务串行化

为了解决这个缓存不一致的问题，我们就需要有一种机制，来同步两个不同核心里面的缓存数据。那这样的机制需要满足什么条件呢？我觉得能够做到下面两点就是合理的。

第一点叫写传播（Write Propagation）。写传播是说，在一个 CPU 核心里，我们的 Cache 数据更新，必须能够传播到其他的对应节点的 Cache Line 里。
第二点叫事务的串行化（Transaction Serialization），事务串行化是说，我们在一个 CPU 核心里面的读取和写入，在其他的节点看起来，顺序是一样的。

如果有数据库了解的，是不是“事务化”那个味道了，其实ACID是比较强的事务化约束。当然也是一个解决方案标杆了。

来了，这个机制的重点：解决多个 CPU 核心之间的数据传播问题、保证时序性（锁）。

在 CPU Cache 里做到事务串行化，需要做到两点，第一点是一个 CPU 核心对于数据的操作，需要同步通信给到其他 CPU 核心。第二点是，如果两个 CPU 核心里有同一个数据的 Cache，那么对于这个 Cache 数据的更新，需要有一个“锁”的概念。

2. 第一个问题：总线嗅探机制

由谁来传播多个 CPU 核心之间的数据：总线。如果是软件设计，可能就来个观察者模式了，总线这是实体。

最常见的一种解决方案呢，叫作总线嗅探（Bus Snooping）。本质上就是把所有的读写请求都通过总线（Bus）广播给所有的 CPU 核心，然后让各个核心去“嗅探”这些请求，再根据本地的情况进行响应。

3. 第二个问题：MESI 协议
   基于总线嗅探机制，其实还可以分成很多种不同的缓存一致性协议。不过其中最常用的，就是今天我们要讲的 MESI 协议。和很多现代的 CPU 技术一样，MESI 协议也是在 Pentium 时代，被引入到 Intel CPU 中的。

Cacheline的操作方式是：标记。

MESI 协议的由来呢，来自于我们对 Cache Line 的四个不同的标记，分别是：

• M：代表已修改（Modified）
• E：代表独占（Exclusive）
• S：代表共享（Shared）
• I：代表已失效（Invalidated）

MESI 协议，是一种叫作写失效（Write Invalidate）的协议。在写失效协议里，只有一个 CPU 核心负责写入数据，其他的核心，只是同步读取到这个写入。在这个 CPU 核心写入 Cache 之后，它会去广播一个“失效”请求告诉所有其他的 CPU 核心。其他的 CPU 核心，只是去判断自己是否也有一个“失效”版本的 Cache Block，然后把这个也标记成失效的就好了。

相对于写失效协议，还有一种叫作写广播（Write Broadcast）的协议。在那个协议里，一个写入请求广播到所有的 CPU 核心，同时更新各个核心里的 Cache。

4. 进一步：状态图

整个 MESI 的状态，可以用一个有限状态机来表示它的状态流转。需要注意的是，对于不同状态触发的事件操作，可能来自于当前 CPU 核心，也可能来自总线里其他 CPU 核心广播出来的信号。状态机流转图如下：

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总结

提示：这里对文章进行总结：

想要实现缓存一致性，关键是要满足两点。第一个是写传播，也就是在一个 CPU 核心写入的内容，需要传播到其他 CPU 核心里。更重要的是第二点，保障事务的串行化，才能保障我们的数据是真正一致的，我们的程序在各个不同的核心上运行的结果也是一致的。这个特性不仅在 CPU 的缓存层面很重要，在数据库层面更加重要。

内容来源：
极客时间：39 | MESI协议：如何让多核CPU的高速缓存保持一致？