面试系列之-MSI协议/MESI协议（JAVA基础）

MSI协议

多核CPU都有自己的专有高速缓存（一般为L1、L2），以及同一个CPU芯片板上不同CPU内核之间共享的高速缓存（一般为L3）。不同CPU内核的高速缓存中难免会加载同样的数据，那么如何保证数据的一致性呢？这就需要用到缓存一致性协议。

缓存一致性协议的基础版本为MSI协议，也叫作写入失效协议。如果同时有多个CPU要写入，总线会进行串行化，同一时刻只会有一个CPU获得总线的访问权。

MESI协议

缓存行的相容关系

目前主流的缓存一致性协议为MESI写入失效协议，而MESI是MSI协议的扩展。在MESI协议中，每个缓存行（Cache Line）有4种状态，即M、E、S和I（全名是Modified、Exclusive、Shared和Invalid）

1.M：被修改（Modified）

该缓存行的数据只在本CPU的私有高速缓存中进行了缓存，而其他CPU中没有，是被修改过的（Dirty），即与主存中的数据不一致，且没有更新到内存中。该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其他CPU读取主存中相应的数据之前）写回（Write Back）主存。当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享状态。简单来说，处于Modified状态的缓存行数据只在本CPU中有缓存，且其数据与内存中的数据不一致，数据被修改过。

2.E：独享的（Exclusive）

该缓存行的数据只在本CPU的私有高速缓存中进行了缓存，而其他CPU中没有，缓存行的数据是未被修改过的（Clean），并且与主存中的数据一致。该状态下的缓存行在任何时刻被其他CPU读取之后，其状态将变成共享状态。在本CPU修改了缓存行中的数据后，该缓存行的状态可以变成Modified状态。

3.S：共享的（Shared）

该缓存行的数据可能在本CPU以及其他CPU的私有高速缓存中进行了缓存，并且各CPU私有高速缓存中的数据与主存数据一致（Clean），当有一个CPU修改该缓存行时，其他CPU中该缓存行将被作废，变成无效状态。

4.I：无效的（Invalid）

该缓存行是无效的，可能有其他CPU修改了该缓存行。

MESI状态转换

（1）初始阶段：开始时，缓存行没有加载任何数据，所以它处于“I状态”。

（2）本地写（Local Write）阶段：如果CPU内核写数据到处于“I状态”缓存行，缓存行状态就变成“M状态”。

（3）本地读（Local Read）阶段：如果本地CPU读取处于“I状态”的缓存行，很明显此缓存没有数据给它。此时分两种情况：①其他CPU的高速缓存中也没有此行数据，那么从内存加载数据到此缓存行后，将它设成“E状态”，表示只有“我”有此行数据，其他CPU都没有；②其他CPU的高速缓存有此行数据，就将此缓存行的状态设为“S状态”（注意：处于“M状态”的缓存行，再由本地CPU写入/读出，状态是不会改变的）。

（4）远程读（Remote Read）阶段：假设我们有两个CPU c1和c2，如果c2需要读c1的缓存行内容，c1需要把它的缓存行内容通过主存控制器（Memory Controller）发送给c2，c2接收到后将相应的缓存行状态设为“S状态”。在设置之前，主存要从总线上得到这份数据并保存。

（5）远程写（Remote Write）阶段：其实确切地说不是远程写，而是c2得到c1的数据后，不是为了读，而是为了写。也算是本地写，只是c1也拥有这份数据的拷贝，这该怎么办呢？c2将发出一个RFO（RequestFor Owner）请求，说明它需要拥有这行数据的权限，其他CPU的相应缓存行设为“I状态”，除了它之外，谁也不能动这行数据。这就保证了数据的安全，但处理RFO请求以及设置“I状态”的过程将给写操作带来很大的性能消耗。