0. 简介
上篇博客我们介绍了如何写出让CPU跑得更快的代码，实际上就是针对CPU Cache的读取操作进行分析，以求写出缓存命中率高的代码。而本篇，我们将介绍一下CPU Cache的写入以及其带来的缓存一致性问题。
1. CPU Cache的写入
正如前文所述，CPU Cache的读操作很简单，从高速缓存中查找所需内容，若命中，则读取；若不命中，则从下一级存储中读取，依此类推。但是写的操作就要复杂一些了。
1.1 直写（Write Through）
直写的逻辑很简单，写入前会判断数据是否已经在CPU Cache中：
- 如果数据在Cache中，那么先将数据更新到Cache，再写入到内存中；
- 如果数据不在Cache中，那么直接写入内存；
注意：以上说法忽略了缓存的层级。
直写的方式很直观，也很简单，但是问题很明显，每次写操作都会写到内存，都会引起总线流量，这无疑会影响到性能。
1.2 写回（Write Back）
在写回机制中，当发生写操作时，新的数据仅仅被写入到Cache Block中，只有当修改过的Cache Block被替换时，才会被写到内存中，减少了数据写回内存的频率，这样可以提高系统的性能。
不过以上逻辑需要高速缓存Cache Line维护一个额外的脏标记位（dirty bit）来标记这个高速缓存块是否被修改过。
注：图片来自于小林coding：2.4 CPU 缓存一致性，侵权必删。
发生写操作时：
- 当数据已经在CPU Cache中，我们只需要将数据更新到CPU Cache，并且标记这个CPU Block为脏即可，不需要立即将此数据写回内存；
- 当数据不在CPU Cache中，说明对应的Cache Block是存储的“别的内存地址的数据”，那么需要检查这个Cache Block是否被标记为脏：
- 如果是脏的，那么将这个Cache Block中的数据写回到内存中，并且要先从内存中将对应需要写入的数据读入到Cache Block中，然后再把当前要写入的数据写入到Cache Block中，最后也将其标记为脏的；
- 如果不是脏的，那么直接将对应需要写入的数据读入到Cache Block中，然后再把当前要写入的数据写入到Cache Block中，最后也将其标记为脏的就好了。
以上写入未命中缓存时将写入数据先加载到缓存，再进行写入操作被称为写分配（Write Allocation），至于需要写分配的原因，我觉得主要原因是根据局部性原理，代码下一次写入的概率极有可能也在此写入地址附近，所以载入内存到缓存能提高下次写的缓存命中率。
2. 缓存一致性
在多核CPU模式下，对缓存数据的写入还可能带来缓存一致性的问题。譬如核心A和B都同时运行两个线程，都操作相同的变量（全局变量），那么必然会带来一致性的问题，为了保证一致性，需要保证做到以下两点：
- 某个CPU核心里的Cache数据更新时，必须要传播到其他核心的Cache，这个称为写传播（Write Propagation）；
- 某个CPU核心对数据的操作顺序，必须在其他核心看起来顺序是一致的，这个称为事务串行化（Transaction Serialization）。
要想实现以上两点，需要通过一定的机制去保证。
2.1 总线嗅探
写传播的原则就是当某个CPU核心更新了Cache中的数据，就要把该事件广播到其他核心，最常见的实现方式就是总线嗅探（Bus Snooping）。
总线嗅探实现很简单，CPU需要时刻监听总线上的一切活动，不管别的核心有没有相同的数据，都将发送这个广播事件，无疑会增加总线的负载。另外，它也无法保证事务串行化。
于是，基于总线嗅探机制，使用状态机降低总线带宽压力，并且能够实现事务串行化的MESI协议就应运而生，这一协议做到了CPU的缓存一致性。
2.2 MESI协议
MESI协议的详情大家可以参考MESI 协议，讲的很详细，其最大的优点就是通过一些状态位的设置，避免了每次都需要更新总线，提升性能。
Q：既然有了MESI协议，为什么还会有线程同步问题？
A：因为MESI只能保证缓存间的数据一致性，而CPU存在异步操作以及CPU的流水线操作都可能会导致一些数据一致性问题，这就不是MESI所能保证的了。再深入点，即MESI解决的是数据一致性问题，并不能解决指令顺序一致性的问题。
