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缓存一致性问题
1 号核心和 2 号核心的缓存，在这个时候是不一致的。这个问题，就是所谓的缓存一致性问题
为了解决缓存一致性问题，需要做到两点：
- 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。做到事务串行化，需要做到两点：
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- 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。只有拿到了对应 Cache Block 的“锁”之后，才能进行对应的数据更新。
MESI协议
要解决缓存一致性问题，首先要解决的是多个 CPU 核心之间的数据传播问题。最常见的一种解决方案，叫作总线嗅探（Bus Snooping）
这个策略，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。
写失效
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。
写广播
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。
写广播在实现上自然很简单，但是写广播需要占用更多的总线带宽。写失效只需要告诉其他的 CPU 核心，哪一个内存地址的缓存失效了，但是写广播还需要把对应的数据传输给其他 CPU 核心。
CacheLine标记
MESI协议中有4个不同的标记
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）
所谓的“已修改”，就是我们上一讲所说的“脏”的 Cache Block。Cache Block 里面的内容我们已经更新过了，但是还没有写回到主内存里面。
而所谓的“已失效“，自然是这个 Cache Block 里面的数据已经失效了，我们不可以相信这个 Cache Block 里面的数据。
在独占状态下，对应的 Cache Line 只加载到了当前 CPU 核所拥有的 Cache 里。其他的 CPU 核，并没有加载对应的数据到自己的 Cache 里。这个时候，如果要向独占的 Cache Block 写入数据，我们可以自由地写入数据，而不需要告知其他 CPU 核。在独占状态下的数据，如果收到了一个来自于总线的读取对应缓存的请求，它就会变成共享状态。这个共享状态是因为，这个时候，另外一个 CPU 核心，也把对应的 Cache Block，从内存里面加载到了自己的 Cache 里来。
而在共享状态下，因为同样的数据在多个 CPU 核心的 Cache 里都有。所以，当我们想要更新 Cache 里面的数据的时候，不能直接修改，而是要先向所有的其他 CPU 核心广播一个请求，要求先把其他 CPU 核心里面的 Cache，都变成无效的状态，然后再更新当前 Cache 里面的数据。这个广播操作，一般叫作 RFO（Request For Ownership），也就是获取当前对应 Cache Block 数据的所有权。
无论是独占状态还是共享状态，缓存里面的数据都是“干净”的。这个“干净”，自然对应的是前面所说的“脏”的，也就是说，这个时候，Cache Block 里面的数据和主内存里面的数据是一致的。
当 Cache Line 状态是「已修改」或者「独占」状态时，修改更新其数据不需要发送广播给其他 CPU 核心，这在一定程度上减少了总线带宽压力。
MESI协议与volatile
当共享变量被volatile关键字修饰的时候，编译器编译成字节码后，解释执行器JIT优化成汇编指令，从解码的汇编指令看被volatile关键字修饰变量会有一个lock前缀修饰，正是看到有lock前缀修饰的变量MESI协议才会生效。
MESI协议失效的情况
1、cpu的寄存器在处理变量的时候是不支持协议的，只有在工作内存（cpu三级缓存）和主内存中有效。
2、MESI缓存一致性协议是针对单个缓存行cacheLine（一个缓存行的大小是64byte）进行加锁，如果变量超过缓存行的大小，那么缓存一致性协议会失效，会升级为总线锁来处理。
引用
本文内容来自极客时间《深入浅出计算机组成原理》第39讲：# MESI协议：如何让多核CPU的高速缓存保持一致？