用動圖的方式，理解 CPU 緩存一致性協(xié)議！

大家好，我是小林。我之前寫過 CPU 緩存一致性 MESI 協(xié)議：10 張圖打開 CPU 緩存一致性的大門。
然后期間挺多人對 MESI 協(xié)議的轉(zhuǎn)換有疑問，其實(shí)我在文章中把 MESI 協(xié)議狀態(tài)切換的各個過程都總結(jié)成了一個表格，可能內(nèi)容太多，很多小伙伴沒有仔細(xì)看。就在昨天，我發(fā)現(xiàn)個可以「在線體驗(yàn)?MESI?協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換」過程的網(wǎng)站，地址如下：https://www.scss.tcd.ie/Jeremy.Jones/VivioJS/caches/MESIHelp.htm
我先給大家復(fù)習(xí)下 MESI 協(xié)議，然后再跟大家講一些這個網(wǎng)站怎么用。

MESI 協(xié)議

MESI 協(xié)議其實(shí)是 4 個狀態(tài)單詞的開頭字母縮寫，分別是：

• Modified，已修改

• Exclusive，獨(dú)占

• Shared，共享

• Invalidated，已失效

這四個狀態(tài)來標(biāo)記 Cache Line 四個不同的狀態(tài)?！敢研薷摹?fàn)顟B(tài)就是我們前面提到的臟標(biāo)記，代表該 Cache Block 上的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新過，但是還沒有寫到內(nèi)存里。而「已失效」?fàn)顟B(tài)，表示的是這個 Cache Block 里的數(shù)據(jù)已經(jīng)失效了，不可以讀取該狀態(tài)的數(shù)據(jù)。「獨(dú)占」和「共享」?fàn)顟B(tài)都代表 Cache Block 里的數(shù)據(jù)是干凈的，也就是說，這個時候 Cache Block 里的數(shù)據(jù)和內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)是一致性的?！釜?dú)占」和「共享」的差別在于，獨(dú)占狀態(tài)的時候，數(shù)據(jù)只存儲在一個 CPU 核心的 Cache 里，而其他 CPU 核心的 Cache 沒有該數(shù)據(jù)。這個時候，如果要向獨(dú)占的 Cache 寫數(shù)據(jù)，就可以直接自由地寫入，而不需要通知其他 CPU 核心，因?yàn)橹挥心氵@有這個數(shù)據(jù)，就不存在緩存一致性的問題了，于是就可以隨便操作該數(shù)據(jù)。另外，在「獨(dú)占」?fàn)顟B(tài)下的數(shù)據(jù)，如果有其他核心從內(nèi)存讀取了相同的數(shù)據(jù)到各自的 Cache ，那么這個時候，獨(dú)占狀態(tài)下的數(shù)據(jù)就會變成共享狀態(tài)。那么，「共享」?fàn)顟B(tài)代表著相同的數(shù)據(jù)在多個 CPU 核心的 Cache 里都有，所以當(dāng)我們要更新 Cache 里面的數(shù)據(jù)的時候，不能直接修改，而是要先向所有的其他 CPU 核心廣播一個請求，要求先把其他核心的 Cache 中對應(yīng)的 Cache Line 標(biāo)記為「無效」?fàn)顟B(tài)，然后再更新當(dāng)前 Cache 里面的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，整個 MESI 的狀態(tài)可以用一個有限狀態(tài)機(jī)來表示它的狀態(tài)流轉(zhuǎn)。還有一點(diǎn)，對于不同狀態(tài)觸發(fā)的事件操作，可能是來自本地 CPU 核心發(fā)出的廣播事件，也可以是來自其他 CPU 核心通過總線發(fā)出的廣播事件。下圖即是 MESI 協(xié)議的狀態(tài)圖：

MESI 協(xié)議的四種狀態(tài)之間的流轉(zhuǎn)過程，我匯總成了下面的表格，你可以更詳細(xì)的看到每個狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原因：

網(wǎng)站體驗(yàn)

接下來說說，怎么玩這個網(wǎng)站。
看上圖，共分為三個部分：

• 第一部分，內(nèi)存。顯示內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)；
  

• 第二部分，CPU 緩存。顯示 CPU 緩存的變量數(shù)據(jù)和 MESI 協(xié)議狀態(tài)，因?yàn)槲椰F(xiàn)在還沒開始操作，所以顯示的是空白。

• 第三部分，CPU 操作。共有三個 CPU，每個 CPU 都有各自的 Cache，CPU 操作分別「讀」和「寫」，這部分是我們手動操作的部分。

而且 CPU 和內(nèi)存之間有三條總線，分別是：

• 數(shù)據(jù)總線（Data Bus）：在CPU與內(nèi)存之間來回傳送需要處理或是需要儲存的數(shù)據(jù)。

• 地址總線（Adress Bus），用來指定在內(nèi)存之中儲存的數(shù)據(jù)的地址。

• shared，這個我也不知道是什么總線，網(wǎng)上沒搜到資料，網(wǎng)站上最細(xì)那條總線就是這個名字，作用是控制 Cache 的數(shù)據(jù)狀態(tài)。
  

接下來，來演示下效果。我操作 CPU1 讀取 a0 變量，此時頁面會顯示如下（實(shí)際上是有動畫的效果的，我這里就不錄制動圖了，建議大家自己去操作一遍，自己感受下過程）：?可以看到，CPU1 核心從內(nèi)存讀取了 a0 變量的數(shù)據(jù)，并緩存在了 Cache1 里，而且此時狀態(tài)為 E （獨(dú)占）。然后我操作 CPU2 讀取 a0 變量，此時頁面會顯示如下：
可以看到，CPU1 和 CPU1 的 Cache 數(shù)據(jù)的狀態(tài)都是 S（共享），和表格中表述的現(xiàn)象一致。別看我的結(jié)果是靜態(tài)的，實(shí)際上當(dāng)我操作完? CPU2 讀取 a0 變量后，實(shí)際上是有動畫效果的，這里有個小技巧，在動畫的過程中，我們可以點(diǎn)擊網(wǎng)站任意一個位置，就會暫停，然后再點(diǎn)擊就開始，這樣我們可以很清晰的知道這個狀態(tài)過程是怎么通過這三個總線完成的。
我大概簡述下過程：

1. 點(diǎn)擊 CPU2 的 read a0 操作；
   

2. CPU2 會向地址總線，發(fā)送讀取 a0?變量的數(shù)據(jù)的請求，此時該請求不僅會被內(nèi)存收到，也會被其他 CPU 核心收到。

3. CPU1 從地址總線得知，CPU2 發(fā)起的讀取地址存在于 CPU1 Cache 里，于是 CPU1 Cache 里數(shù)據(jù)的狀態(tài)會從 E（獨(dú)占）變更為 S（共享）；

4. 內(nèi)存收到 CPU2 發(fā)起的讀取 a0?數(shù)據(jù)的請求后，就會通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳遞給 CPU2；

5. 最后數(shù)據(jù)會寫到 CPU2 Cache 里，且狀態(tài)是 S（共享）。
   

其他狀態(tài)的變更，我在這里就不介紹了，大家自己去網(wǎng)站體驗(yàn)下，這樣會感觸比較深，光聽我講也記不住。可以對照我文章中 MESI 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的表格來做實(shí)驗(yàn)，感受下 MESI 狀態(tài)到底是如何在不用加鎖的情況下，是如何實(shí)現(xiàn) CPU 緩存一致性的。我也把網(wǎng)站地址附在了「閱讀原文」，點(diǎn)擊即可訪問。