MESI协议（多核CPU的cache内存一致性协议）

MESI协议

MESI是Midified（已修改），Exclusive（独占），Shared（共享），Invalidated（已失效）的缩写，对应Cache Line的四种状态。
多核CPU的cache和内存的构成可以简化为：每个CPU有自己的独有的cache，然后大家共享内存，当每个CPU从cache中读取数据时，如何保证所有cache和内存中数据的一致性，即使MESI协议要解决的问题。

四种状态

【已修改】 即脏标记，表示当前cache line中的数据已经被更新过，没有被写到内存中。【已失效】状态，表示这个cache line里的数据已经失效，是不可以读取的数据。
【独占】和【共享】状态都表示这个cache line中的数据是干净的（即与内存中的数据是一致的，共享同时也表示与其他cpu cache中的数据是一致的）。
【独占】是指当前这份数据只保存在当前cpu cache中，其他cpu cache中没有该数据（或者原本有的这份数据变成了已失效的）。所以这个时候更改独占的数据就可以直接自由写入，不需要通知其他的cpu cache（独占的数据更改写一次后，就会变成已修改的）。
而【独占】状态的数据，如果有其他cpu从内存读取相同的数据到各自的cache，那么这个数据就会变成【共享】状态。
进一步的，【共享】状态代表着相同一份数据在多个 CPU 的 Cache 里都有，所以当我们要更新 Cache 里面的数据的时候，不能直接修改，而是要先向所有的其他 CPU 核心广播一个请求，要求先把其他核心的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为【无失效】状态，然后再更新当前 Cache 里面的数据（这时数据的状态就变为独占的，这时也会同时更新内存中的数据，下一次更改独占的数据，就可以直接更改，不急于更新内存的数据）。

状态转换

MESI 协议的四种状态之间的流转过程，可以汇总成下面的表格：

状态流转表.png

其中，本地读写是指当前cpu对于cache line的读写，远程读写是指其他cpu读写相同的数据（对于当前cpu cache line的影响）。

模拟工具

VivioJS MESI help (tcd.ie)
一个可以模拟MESI协议运行过程的网站，可以更好的理解协议的工作过程。
模拟的场景如下图：

MESI协议

主要分为三个部分：

• 内存：显示的是内存地址和数据
• CPU 缓存（Cache）：显示的是cache line中的变量数据，以及MESI协议的状态信息，空白表示还没有数据。
• CPU操作：通过点击可以控制每个CPU对于每个数据的读和写操作。
  内存和CPU 缓存之间有三个总线，分别是：
• 数据总线：在CPU 缓存与内存之间传送需要处理或是需要储存的数据。
• 地址总线：传送在内存之中储存的数据的地址。
• shared：这个总线的作用是控制 Cache Line 的MESI状态。
  具体过程大家可以在网站中去操作，很好理解。