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Cache一致性协议之MESI

处理器上有一套完整的协议,来保证Cache一致性。比较经典的Cache一致性协议当属MESI协议,奔腾处理器有使用它,很多其他的处理器都是使用它的变种。

单核Cache中每个Cache line有2个标志:dirty和valid标志,它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效,数据是否被修改),而在多核处理器中,多个核会共享一些数据,MESI协议就包含了描述共享的状态。

在MESI协议中,每个Cache line有4个状态,可用2个bit表示,它们分别是:

状态

描述

M(Modified)

这行数据有效,数据被修改了,和内存中的数据不一致,数据只存在于本Cache中。

E(Exclusive)

这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据只存在于本Cache中。

S(Shared)

这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据存在于很多Cache中。

I(Invalid)

这行数据无效。

MESI状态

M(Modified)和E(Exclusive)状态的Cache line,数据是独有的,不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致),E状态的数据是clean的(和内存的一致)。

S(Shared)状态的Cache line,数据和其他Core的Cache共享。只有clean的数据才能被多个Cache共享。

I(Invalid)表示这个Cache line无效。

E状态示例如下:

E状态

只有Core 0访问变量x,它的Cache line状态为E(Exclusive)。

S状态示例如下:

S状态

3个Core都访问变量x,它们对应的Cache line为S(Shared)状态。

M状态和I状态示例如下:

M状态和I状态

Core 0修改了x的值之后,这个Cache line变成了M(Modified)状态,其他Core对应的Cache line变成了I(Invalid)状态。

在MESI协议中,每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作,而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。

MESI协议状态迁移图如下:

MESI协议状态迁移图

在上图中,Local Read表示本内核读本Cache中的值,Local Write表示本内核写本Cache中的值,Remote Read表示其它内核读其它Cache中的值,Remote Write表示其它内核写其它Cache中的值,箭头表示本Cache line状态的迁移,环形箭头表示状态不变。

当内核需要访问的数据不在本Cache中,而其它Cache有这份数据的备份时,本Cache既可以从内存中导入数据,也可以从其它Cache中导入数据,不同的处理器会有不同的选择。MESI协议为了使自己更加通用,没有定义这些细节,只定义了状态之间的迁移,下面的描述假设本Cache从内存中导入数据。

MESI状态之间的迁移过程如下:

当前状态

事件

行为

下一个状态

I(Invalid)

Local Read

如果其它Cache没有这份数据,本Cache从内存中取数据,Cache line状态变成E;

如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则将数据更新到内存,本Cache再从内存中取数据,2个Cache 的Cache line状态都变成S;

如果其它Cache有这份数据,且状态为S或者E,本Cache从内存中取数据,这些Cache 的Cache line状态都变成S

E/S

Local Write

从内存中取数据,在Cache中修改,状态变成M;

如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则要先将数据更新到内存;

如果其它Cache有这份数据,则其它Cache的Cache line状态变成I

M

Remote Read

既然是Invalid,别的核的操作与它无关

I

Remote Write

既然是Invalid,别的核的操作与它无关

I

E(Exclusive)

Local Read

从Cache中取数据,状态不变

E

Local Write

修改Cache中的数据,状态变成M

M

Remote Read

数据和其它核共用,状态变成了S

S

Remote Write

数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I

I

S(Shared)

Local Read

从Cache中取数据,状态不变

S

Local Write

修改Cache中的数据,状态变成M,

其它核共享的Cache line状态变成I

M

Remote Read

状态不变

S

Remote Write

数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I

I

M(Modified)

Local Read

从Cache中取数据,状态不变

M

Local Write

修改Cache中的数据,状态不变

M

Remote Read

这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,状态变成S

S

Remote Write

这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,由于其它核会修改这行数据,

状态变成I

I

MESI状态迁移

AMD的Opteron处理器使用从MESI中演化出的MOESI协议,O(Owned)是MESI中S和M的一个合体,表示本Cache line被修改,和内存中的数据不一致,不过其它的核可以有这份数据的拷贝,状态为S。

Intel的core i7处理器使用从MESI中演化出的MESIF协议,F(Forward)从Share中演化而来,一个Cache line如果是Forward状态,它可以把数据直接传给其它内核的Cache,而Share则不能。

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