一、示例场景
第一步：Core 1 和 Core 2 读取了同一个内存块的数据，在两个 Core 中的 Cache 都缓存了一份内存块的副本，此时Cache 1、Cache 2、主存数据是一致的；
第二步：Core 1 需要写数据了，触发了写操作：
- 在写直达策略中，新数据会直接写回内存，此时，Cache1 和内存块一致，但 Cache 2 和 Cache 1 、主存是不一致的；
- 在写回策略中，新数据会延迟写回内存，此时 Cache 1 和内存、Cache 2 均不一致；
如果此时Core 2 访问了 Cache 2 过时的数据，软件上就会获取到不正确的数据。 因此就需要一种机制，将多个核心的工作联合起来，共同保证多个核心下的 Cache 一致性，这就是缓存一致性机制。
二、MESI 协议简介
MESI（Modified-Exclusive-Shared-Invalid） 是一个基于状态跟踪的协议，也是目前最经典、最常用的总线嗅探式缓存一致性协议。每个缓存行（Cache Line，缓存管理的最小单位，通常是 64 字节）在每个核心的私有缓存中都维护一个状态标记（State Tag）。协议定义了四个核心状态：
1.M (Modified - 已修改):
- 含义： 该缓存行中的数据已被当前核心修改过，与主内存中的对应数据不一致。当前核心拥有该数据的唯一、最新副本。
- 责任： 如果其他核心需要读取这个数据，或者该缓存行需要被替换出去，拥有 M 状态的缓存必须负责将修改后的数据写回主内存。
- 权限： 当前核心可以自由读写该缓存行，无需与其他核心通信。
- 类比： 你有一本书的唯一副本，并且你在书上做了笔记（修改）。你的笔记还没同步到图书馆（主存）的底本上。
2.E (Exclusive - 独占):
- 含义： 该缓存行中的数据与主内存中的数据一致，并且只有当前核心的缓存中有该数据的副本。
- 权限： 当前核心可以自由读取该缓存行。如果它要写入，因为它拥有独占权，可以直接将状态提升为 M (Modified)，无需通知其他核心（因为其他核心没有副本）。
- 优势： 从 E 状态开始的写操作非常高效，因为不需要广播无效化消息。
- 类比： 你从图书馆借出了唯一的一本干净的书（与底本一致）。只有你有这本书，你可以随时阅读。如果你想做笔记（写），只需要把书标记成你的笔记版（M），不需要通知别人（因为没人有副本）。
3.S (Shared - 共享):
- 含义： 该缓存行中的数据与主内存中的数据一致，并且至少有一个其他核心的缓存中也有该数据的副本（可能多个）。
- 权限： 当前核心可以自由读取该缓存行。如果它要写入，它必须首先向所有其他可能持有该缓存行副本的核心发送“无效化（Invalidate）”消息。其他核心收到无效化消息后，将自己缓存中该行的状态置为 I (Invalid)。当前核心在收到所有其他核心的确认（Acknowledge）后，才能将状态改为 M (Modified) 并进行写入。
- 类比： 你和朋友都从图书馆借了同一本书的复印本（大家都有，且与底本一致）。如果你想在书上做笔记（写），你必须通知所有借了这本书的朋友：“我的版本要改了，你们的版本作废了！”。等朋友们都确认扔掉（Invalidate）了他们的复印本后，你才能开始做笔记，并成为唯一有效的版本（M）。
4.I (Invalid - 无效):
- 含义： 该缓存行中的数据是无效的、过时的或者该缓存行是空的。不能使用该缓存行中的数据。
- 操作： 如果核心需要读取或写入这个内存地址，它必须从其他缓存（如果其他缓存有有效状态如 M, E, S）或主内存中重新获取有效数据。
- 类比： 你手上的这本书要么是空白页，要么内容已经过时（因为你知道有人改了原版）。你需要重新去获取最新版本。
三、解决流程
MESI 解决上述问题场景流程：
第一步：初始状态 (一致)： Core 1 和 Core 2 都读取了内存块 X 的数据。此时：
- Core 1 的缓存行状态：S (Shared - 共享，数据与内存一致)
- Core 2 的缓存行状态：S (Shared - 共享，数据与内存一致)
第二步：Core 1 执行对 X 的写入操作： 此时 Core 1 的缓存行当前状态是 S (Shared)。根据MESI 协议规则，一个核心要写入一个处于 S 状态的缓存行时：
- 广播“无效化”(Invalidate)请求： Core 1 通过 CPU 的总线（或片上互连网络）向系统中所有其他核心（主要是 Core 2）发送一条消息：“我要修改地址 X 的数据了，请把你们缓存中地址 X 的副本标记为无效！”
- 等待确认 (Acknowledge)： Core 1 需要等待所有收到无效化请求的核心（这里是 Core 2）发回确认（Acknowledge）信号。
- Core 2 的动作 (总线嗅探) ：Core 2 一直在“监听”总线上的消息（总线嗅探），当它收到 Core 1 发来的针对地址 X 的无效化请求。它先检查自己的缓存，发现自己确实缓存了地址 X 的数据，并且状态是 S。它将自己缓存中地址 X 的缓存行状态从 S 改为 I (Invalid - 无效)，表示这个副本已经过期作废。Core 2 向总线发送确认（Acknowledge）信号给 Core 1。
- Core 1 获得独占权并修改：Core 1 收到 Core 2 的确认后，知道自己是系统中唯一拥有有效地址 X 数据的核心了。它将自身缓存行状态从 S 改为 M (Modified - 已修改)。现在 Core 1执行实际的写入操作，修改其缓存行中的数据。此时，内存中的数据仍然是旧的 (因为状态是M，修改尚未写回内存)。
当前状态：
- Core 1 缓存行 (X)：状态 M，数据是最新的（已修改）。
- Core 2 缓存行 (X)：状态 I，数据被标记为无效（过期）。
- 内存数据 (X)：旧的。
- 一致性暂时破坏 (Core 2 的缓存无效)，但协议已介入处理。
第三步：Core 2 再次读取 X：
- Core 2 需要访问地址 X 的数据，它检查自己的缓存，发现状态是 I (无效)，发生 读未命中 (Read Miss)。因此Core 2 发起总线请求，要求读取地址 X 的数据。
- 总线嗅探与响应：Core 1 监听总线，发现 Core 2 请求的是自己处于 M 状态的地址 X，根据协议，拥有 M 状态数据的核心（Core 1）有责任提供最新数据，Core 1 执行写回(Writeback)，将 M 状态缓存行中的最新数据写回主内存（或者有时直接通过总线传输给 Core 2，称为“干预”），Core 1 将自己缓存行的状态从 M 改为 S（因为现在 Core 2 也要共享了）。
- 状态更新：Core 2 接收到最新数据，将其缓存行状态设置为 S。
当前状态：
- Core 1 缓存行 (X)：状态 S，数据最新。
- Core 2 缓存行 (X)：状态 S，数据最新。
- 内存数据 (X)：最新。
- 所有副本再次一致！
四、软件上的处理
MESI 协议是由多层硬件协同实现，保证了数据的最终一致性，但执行顺序、原子性和可见性仍需开发者通过编程手段控制。
1. 强制顺序与互斥
- 锁（Locks）：通过互斥（Mutex）、信号量（Semaphore）等机制，确保临界区代码仅被一个线程执行。
- 原子操作（Atomic Operations）：利用CPU指令（如CAS、LL/SC）实现不可分割的读-修改-写（RMW）。
2. 内存屏障（Memory Barriers）
主要解决乱序执行导致的可见性问题。kernel 中相关函数如下：
