读 A Primer on Memory Consistency and Cache Coherence (1)

最近学习体系结构，对共享内存 (shared memory) 的系统的理解不佳，感觉需要专门补一补。于是找到了这本小册子：A Primer on Memory Consistency and Cache Coherence，看起来似乎很不错。陆放翁说得好：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”虽然我是没法把这些东西实现出来了，但读书笔记还是应该做一做的。

这本书主要介绍在共享内存的系统中的两个概念：memory consistency 和 cache coherence。这两者似乎分别被翻译为“内存一致性”和“缓存一致性”，不过这里的“一致性”却对应着两个不同的词，因此我在下文中还是老老实实写英文吧。

Consistency

Memory consistency 是用来定义正确性的。然而这个“正确性”本身就很难下定义。在一个单线程的任务中，我们很容易说明什么是正确的，因为指令之间是有逻辑上的顺序的；即使有 out-of-order execution，那处理器也必须保证它看起来像是顺序执行的。但是对于多线程的任务，这就很麻烦了：由于多条指令可能是并发执行的，我们在没有进一步的约束条件下是很难说只有唯一一种正确结果的，有可能很多种结果都可以被认为是对的。

文中举了一个现实生活中的例子，我觉得用 CS 的语言讲出来大概是：有两个线程分别访问共享内存中的同一个位置，前者更新一条数据，后者要获取这个更新的数据。本来应该先写再读的，这样才能保证后者读来的是正确的；但是不知怎么的，在物理上却是后者先读了，那么它自然就读到了无效的数据，这就是一个 consistency 的问题。一个 consistency model 需要定义这种行为是不是正确的。

Coherence

Cache coherence 是对程序不可见的，是让 shared memory 系统上的各个 caches 合在一起看起来就像一个单核的机器上的 cache 一样的。我觉得这句话说得比较关键：

Correct coherence ensures that a programmer cannot determine whether and where a system has caches by analyzing the results of loads and stores. This is because correct coherence ensures that the caches never enable new or different functional behavior.

但说实话这个理由我没看懂，先放着。

文中的现实生活的例子大概是这个意思：有一个核心，它自己的 cache 里记录了内存中某个地方的数据，然后这个数据被其他人改了，因此它自己的 cache 里的数据就无效 (stale) 了，这就需要 coherence 来进行约束。

结语

我觉得我对 consistency 和 coherence 的异同的理解还不是很到位，甚至有可能是错误的。慢慢往下读吧。