CPU Cache通常分为三级缓存，L1Cache，L2Cache,L3Cache，级别越低的离CPU越近，访问速度越快，但同时容量越小，价格越贵。在多核的CPU中，每个核都有各自的L1，L2Cache，而L3是所有核共享的。

让我们先简单了解一下CPUCache的结构
CPU Cache是由很多个Cache Line组成的，CPU Line是CPU从内存读取数据的基本单位，而CPU Line是由各种标志（Tag）+数据块（Data Block） 组成

当我们读数据时，首先在Cache中检测数据，如果有的话，则直接从Cache中读，如果没有的话，那么先从主存中读出来，再存储在Cache中，但是，当我们在写数据时，我们将数据在Cache中修改后，那么Cache就和主存的数据不一致了，那么我们应该在什么时候把数据写回到主存呐？

写直达

写直达：在写数据时，把数据同时写入主存和Cache中

 如果数据已经在Cache中，先将数据更新到Cache里面，再写入到主存里面
 如果数据没有在Cache中，就直接把数据更新到主存中

无论数据在没在Cache中，最后都需要把数据写回到主存，因为IO操作特别慢，所以这会极大的影响效率

写回

为了减少IO操作，所以就出现了写回的方法

在写回机制中，当发生写操作时，新的数据仅仅被写入Cache 中，只有修改过的的Cache 块需要被替换时，才写回到主存中。减少了IO操作，这样可以大大提高程序的效率。

如果当发生写操作的时候，数据已经在CPU cache中，则把数据更新到CPU cache中，同时标记CPU 
cache里的 cache block为脏(Dirty)的，(代表这个时候，CPU cache里面的这个cache block的数据和
内存是不一样的)

1. 如果当发生写操作，数据所对应的cache block里存放的是其它的地址的数据A，这个时候就要检测这个cacheblock里的A有没有标记为脏。 如果标记为脏，我们就要把A写回到内存，同时把要写入的数据写入到cache block中，并标记为脏。
2. 如果没有的话，就直接将要写入的数据写入到cache block中，再把这个数据标记为脏。

通过写回的话，如果缓存命中的话，可以大大提高我们的性能。

缓存一致性

现在CPU都是多核的，由于L1/L2 cache都是每个核独自的，这样就会带来多核的CPU缓存一致性的问题。

举例：
假如core1,core2各自运行一个线程，它俩同时对一个变量i（初始值）进行操作，假如说core1对i进行++操作，按照写回策略，先把i的值写回到L1/L2 cache中，再把它标记为脏，这个时候core2对i操作的时候，直接从内存中读值，这个时候，读到的值就是错误的，因为刚才对i的操作还没有同步到内存中，这就是缓存一致性问题。

要实现CPU缓存一致性的话，我们就要保证：

1.某个CPU核心李的cache 数据更新时，必须传播到其它核心中的cache里，这就是写传播。
2.某个CPU核心里对数据的操作顺序，必须在其它核心看起来顺序是一样的，这就是事务的串行化。

我们简单解释一下事务的串行化，

假如说有一个4核的CPU，这4个core都操作同一个变量（初始值为0），core1先把i变为100，而同一时间core2再把值变为200，根据写传播，这两个操作都会传播到core3,core4。

1. 假如说core3先接收了core1的操作，再收到了core2的操作，那么对与core3来说，i的值此时i的值就是200。
2. 假如说core4相反，先接收了core2的操作，再收到了core1的操作，那么对于core4来说，此时i的值就是100。

所以我们要保证所有的核心看到的都是相同顺序的变化，这样的过程就是事务的串行化。

总线嗅探

写传播最常见的方式就是总线嗅探。
实现原理：每个CPU都监听总线上的广播事件，并检查是否有相同的数据在自己的L1/L2缓存中，如果有的话，则自己也需要把该数据更新。

MESI协议

MESI协议基于总线嗅探机制实现了事务串行化，也用状态机机制降低了总线带宽压力。

MESI协议其实就是4个状态单词的开头字母缩写：

• Modified 已修改
• Exclusive 独占
• Shared 共享
• Invalidated 已失效

用这四个状态来标记cache Line四个不同的状态。

已修改状态：就是我们前面提到的脏标记，代表该cache block上的数据已经被更新过，但是还没有写到内存里。
已失效状态： 表示的是这个cache block里的数据已经失效了，不可以读取该状态的数据。

独占和共享都代表cache block里的数据是干净的（cache block和内存里面的数据是一致的)。

独占和共享的差别在于，独占状态的时候，数据只存储在一个CPU的cache中，而其它CPU cache里面没有该数据。这个时候，如果要向独占的cache写数据，就可以自由的写入，而不需要通知其它CPU core。而如果有其它core从内存读取了相同的数据到自己的cache中，那么独占的数据就会变为共享状态。

共享状态：代表着相同的数据在多个CPU核心的cache里面都有，所以当我们要修改cache里面的数据时，不能直接修改，而是要先向所有其它的core广播一个请求，要求先把其它core中cache中对应的cache line标记为无效状态，然后再更新当前cache里面的数据。