面试题：缓存设计之写失效策略在CPU缓存一致性中的基本应用

Question

请阐述写失效策略在CPU缓存一致性协议中的基本原理，以及它如何保证多个CPU核心缓存数据的一致性。举例说明在简单的多核心处理器场景下，写失效策略是怎样工作的。

Answer 1

写失效策略在CPU缓存一致性协议中的基本原理

1. 基本原理概述：在多核心处理器系统中，当一个CPU核心对其缓存中的数据进行写操作时，写失效策略会使其他CPU核心缓存中对应的缓存行失效。这样一来，其他核心在下次访问该数据时，由于其缓存中的数据已失效，就必须从主存或者拥有最新数据的缓存中重新获取数据，从而保证所有核心缓存数据的一致性。
2. 具体机制：每个缓存行都有一个状态位来标识其状态，如MESI协议中的Modified（已修改）、Exclusive（独占）、Shared（共享）、Invalid（无效）状态。当一个核心进行写操作时，会将自己缓存行状态设为Modified，并向其他核心发送失效信号，其他核心收到信号后将对应缓存行状态设为Invalid。

写失效策略保证缓存数据一致性的方式

1. 强制数据重新获取：通过使其他核心缓存行失效，确保其他核心在后续访问该数据时，不会使用旧的、不一致的数据。这样就强制其他核心从最新数据源获取数据，数据源可能是主存（若修改后数据已写回主存），或者是修改数据的核心的缓存（若数据还未写回主存）。
2. 维护数据一致性状态：借助缓存一致性协议（如MESI）中的状态转换机制，在写操作引发失效后，各个核心缓存的状态会进行相应改变，使得系统能够跟踪和维护数据的一致性状态。例如，在MESI协议下，当一个核心将数据修改后，其他核心缓存行变为Invalid状态，而修改核心缓存行变为Modified状态，后续若其他核心请求该数据，会触发状态转换，保证数据一致性。

简单多核心处理器场景下写失效策略的工作示例

假设一个简单的双核心处理器系统，核心A和核心B，每个核心都有自己的缓存，并且缓存与主存之间通过缓存一致性协议（如MESI）进行交互。

1. 初始状态：核心A和核心B都从主存中读取了变量X的值到各自的缓存中，此时两个核心缓存中的X处于Shared状态。
2. 写操作：核心A对其缓存中的变量X进行写操作，将X的值从10修改为20。此时，核心A的缓存行状态从Shared变为Modified，并向核心B发送失效信号。
3. 失效处理：核心B收到失效信号后，将其缓存中变量X的缓存行状态设为Invalid。
4. 后续访问：当核心B后续需要访问变量X时，由于其缓存中的X已失效，核心B会向核心A或主存请求数据。如果核心A还未将修改后的数据写回主存，核心B会从核心A的缓存中获取最新值20，并将自己缓存行状态设为Shared；如果核心A已将数据写回主存，核心B则从主存获取值20，并同样将自己缓存行状态设为Shared。这样就保证了两个核心缓存中变量X的数据一致性。