面试题：缓存设计之多核CPU环境下缓存一致性基础

Question

在多核CPU环境下，简述缓存一致性协议（如MESI协议）的基本工作原理，以及它是如何解决缓存一致性问题的？

Answer 1

MESI协议基本工作原理

1. 缓存行状态：

   • 修改（Modified）：缓存行中的数据已被修改，与主存中的数据不同。此状态下，缓存行的数据是最新的，且该缓存行是独占的，其他处理器缓存中没有该缓存行的副本。只有处于此状态的缓存行，在需要时会将数据写回主存。
   • 独占（Exclusive）：缓存行中的数据与主存一致，且其他处理器缓存中没有该缓存行的副本。此时缓存中的数据可以直接提供给处理器使用，若处理器对其进行修改，缓存行状态会变为“修改”。
   • 共享（Shared）：多个处理器缓存中都有该缓存行的副本，且数据与主存一致。处于共享状态的缓存行可以被多个处理器同时读取，但任何一个处理器要对其进行写操作，必须先将其状态变为“修改”，同时要通知其他处理器将该缓存行状态变为“无效”。
   • 无效（Invalid）：缓存行中的数据无效，需要从主存或其他处理器缓存中重新获取数据。

2. 状态转换：

   • 读操作：
     • 若缓存行状态为“修改”，直接返回数据给处理器，并保持状态不变。因为“修改”状态的数据是最新的。
     • 若为“独占”，直接返回数据，状态仍为“独占”，因为数据是最新且唯一的副本。
     • 若为“共享”，也直接返回数据，状态保持“共享”，因为多个处理器可同时读共享数据。
     • 若为“无效”，则从主存读取数据到缓存，同时检查其他处理器缓存中是否有该缓存行副本。若没有，缓存行状态变为“独占”；若有，则变为“共享”。
   • 写操作：
     • 若缓存行状态为“修改”，直接修改缓存数据并保持状态。因为当前缓存数据是最新且独占的。
     • 若为“独占”，修改缓存数据并将状态变为“修改”。
     • 若为“共享”，首先要通知其他处理器将该缓存行状态变为“无效”，然后修改本地缓存数据，并将状态变为“修改”。
     • 若为“无效”，先从主存读取数据到缓存（可能变为“独占”或“共享”，取决于其他处理器缓存情况），然后修改缓存数据并将状态变为“修改”。

解决缓存一致性问题的方式

1. 监听机制：每个处理器缓存不仅存储数据，还监听总线上的通信。当一个处理器对某缓存行进行写操作并要改变其状态时（如从“共享”变为“修改”），会通过总线广播一个消息，告知其他处理器该缓存行已被修改。其他处理器监听到这个消息后，将自己缓存中对应的缓存行状态变为“无效”。这样就保证了其他处理器不会再使用旧数据，从而解决了缓存一致性问题。
2. 写回策略与同步：处于“修改”状态的缓存行，在适当的时候（如缓存行被替换、处理器下电等）会将数据写回主存。写回主存时，由于其他处理器缓存中对应缓存行已被标记为“无效”，所以主存中的数据会被更新为最新值。当其他处理器再次需要该数据时，会从主存重新读取，从而保证了数据的一致性。