在多核 CPU 场景下，每个核心都有自己的私有缓存（L1、L2），而它们共享 L3 缓存和主内存。要保证不同核心缓存中的数据一致且不冲突，主要依靠 Cache Coherence Protocol（缓存一致性协议） 。
最经典、应用最广的是 MESI 协议。
1. MESI 协议：缓存行的四种状态
MESI 通过给每个缓存行（Cache Line）标记四个状态来管理：
| 状态 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| M | Modified (修改) | 该行已被修改，与内存不一致，且只存在于当前核心缓存中。 |
| E | Exclusive (独占) | 该行与内存一致，且只存在于当前核心缓存中。 |
| S | Shared (共享) | 该行与内存一致，且可能存在于多个核心缓存中。 |
| I | Invalid (无效) | 该行数据已失效，不能使用，必须重新从内存或其它缓存读取。 |
2. 核心机制：总线嗅探 (Bus Sniffing)
仅仅有状态是不够的，核心之间必须“交流”。
- 动作：当核心 A 修改了自己缓存中的共享数据时，它会通过总线向外广播。
- 嗅探：核心 B 会持续监听总线。一旦发现总线上有针对自己缓存中某行数据的写操作，核心 B 会立即将该缓存行标记为 Invalid (I) 。
- 结果：下次核心 B 读取该数据时，发现是无效状态，就会被迫从内存或核心 A 那里获取最新的值。
3. 如何避免“冲突”？
多核竞争同一份数据时，硬件通过以下两级保障来防止冲突：
A. 内存屏障 (Memory Barriers)
编译器或 CPU 为了优化性能可能会指令重排。程序员（或底层库）使用内存屏障强制规定：屏障前的读写必须先于屏障后的读写。这确保了逻辑上的先后顺序。
B. 原子操作 (Atomic Operations)
在硬件层面，通过 Lock 前缀指令：
- 总线锁定：早期 CPU 会锁住总线，让其他核心无法访问内存。效率低，因为整个 CPU 停摆了。
- 缓存锁定（现代主流）：利用 MESI 协议，如果数据在缓存内，CPU 只锁定该缓存行并标记为独占修改模式。此时其他核心无法同时修改这块内存，保证了操作的原子性。
4. 潜在的问题：伪共享 (False Sharing)
这是高性能编程中常见的“不冲突但低效”的问题。
- 现象：两个无关的变量（比如
A和B）恰好落在同一个缓存行（通常 64 字节）里。 - 后果：核心 1 修改
A，导致核心 2 的缓存行失效；核心 2 修改B，又导致核心 1 的缓存行失效。 - 解决：缓存行填充（Padding） 。在变量之间加入无意义的占位符，让它们分布在不同的缓存行。
总结
多核一致性 = MESI 状态机 + 总线嗅探机制。
为了让你直观理解 MESI 协议 是如何运作的，我们假设有一个变量 x = 10 存储在主内存中。现在有两个 CPU 核心（Core A 和 Core B）都要操作它。
以下是这四种状态随操作变化的完整链路：
1. 初始状态：独占 (Exclusive)
- 动作：Core A 从内存读取
x。 - 结果：Core A 发现没有其他核心加载过这个变量。
- 状态：Core A 的缓存行标记为 E。
- 解释：此时数据是干净的（和内存一致），且 Core A 独占它。
2. 协作状态：共享 (Shared)
- 动作：Core B 也从内存读取
x。 - 结果：Core A 嗅探（Sniffing）到了这个读取请求，并告诉 Core B：“我也存着呢”。
- 状态：Core A 和 Core B 的缓存行都转变为 S。
- 解释：大家都知道这份数据在多个核心里都有，且都与内存一致。
3. 修改状态：修改 (Modified)
-
动作：Core A 想要执行
x = 20。 -
过程：
- Core A 向总线发送一个“我要写这个地址”的信号。
- Core B 嗅探到信号，立即将其缓存行标记为 I (Invalid) 。
- Core A 修改数据。
-
状态：Core A 变为 M，Core B 变为 I。
-
解释：此时 Core A 里的数据是最新的，但主内存里还是旧的 10。Core A 负有将数据写回内存的责任。
4. 强制失效：无效 (Invalid)
-
动作：Core B 现在想读取
x。 -
过程：
- Core B 发现自己的状态是 I（数据不可信）。
- Core B 发起读取请求。
- Core A 拦截该请求，先将最新的
x = 20同步回内存（或直接传给 Core B）。 - Core A 和 Core B 再次回到 S 状态。
-
状态：双端回到 S。
-
解释：这就是“缓存一致性”的体现，Core B 绝不会读到旧的 10。
