引言

面试官：CPU1 把变量 a=1 从内存读出改成 a=2，CPU2 想把 a 改成 3，CPU2 如何感知 CPU1 的行为?

在并发的情境下，保证数据的一致性，就是使用锁来控制，这里的锁算是一个比较高层次的概念。现代计算机基本上都是多 CPU 的架构，每一个 CPU 都有自己的缓存，所以每一个缓存从主存中取来数据就出现了类似的数据一致性问题。那么在计算机系统层面，应对这种问题的机制是怎样的呢？
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共享内存组织

CPU 和内存存在比较大的速度差异，根据局部性原理，引入了缓存，简化结构如下：
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  • 通过共享的总线，缓存从内存拷贝数据，内存对于所有缓存是共享的
  • CPU 从缓存中取出数据进行工作，每一个 CPU 的缓存都是私有的

这种缓存私有，内存共享的结构就会出现数据一致性的问题。例如 CPU1 和 CPU2 从主存中拷贝一个相同的变量 a=0，CPU1 将其改成 a=1，CPU2 将其改成 a=2，此时不同的 CPU 对于 a 的值就会出现分歧。
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Snooping Protocol

一种解决办法是采用监听策略：总线是安全的，CPU 通过总线来进行通信，并且会持续监听总线上与自己缓存相关的信息。在写数据的时候，让其他缓存行失效：

  • CPU 准备写入变量，先向总线发送 write invalid 信息
  • 其他 CPU 收到这个信息，就将自己的对应缓存行置为 invalid
  • CPU 写入变量，并且更新到内存（假设采用 Write Through 策略）
  • 其他 CPU 再次像访问这个变量的时候，由于缓存行已经失效，只能从内存获取最新的数据

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还有一种时，在写数据的时候，同时更新其他缓存行：

  • CPU 准备写入变量，先向总线广播要写入的新值
  • 其他 CPU 更新对应的缓存行数据

这两种方式都存在一定可改进的空间：

  • 总线带宽宝贵，应该减少过多的广播
  • Write Through 策略相比起 Write Back 更有可能频繁访问内存，开销较大

MESI Protocol

CPU 通过总线来监听变量的变化

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MESI 能够减少总线的带宽使用，并尽可能减少内存访问。在 Snoop 协议中，如果一个变量只是被某个缓存独享，那么是没有必要广播的。为此，MESI 将缓存行原本的 Valid、Invalid 两种状态拓展为：

缓存行的状态 含义
Modified 变量被一个缓存独占，且被修改，即与内存中的不一致
Exclusive 变量被一个缓存独占，未被修改，即与内存中的一致
Shared 变量被多个缓存共享，未被修改，即与内存中的一致
Invalid 缓存行已经失效

通过增加了 Modified 和 Exclusive 这两种独占的状态，巧妙地减少了信息的广播频率。缓存行的状态就在 MESI 这四种状态中进行切换。回到最初的那个问题，一步步进行解析：

CPU1 把变量 a=1 从内存读出改成 a=2，CPU2 想把 a 改成 3，CPU2 如何感知 CPU1 的行为?

CPU2 通过总线来感知 CPU1 的行为：

  • CPU1 向总线发起访存请求，获取到变量 a，缓存行标记为 E
  • CPU1 更新 a=2，缓存标记为 M，无需向外广播任何消息
  • CPU2 向总线发起访存请求，CPU1 监测到这个请求，将 a=2 这个最新值发送到总线，最新值被缓存到 CPU2，并且被写回内存，缓存行也都标记为 S
  • CPU2 尝试更新 a=3，由于缓存行当前为 S，所以 CPU2 广播信息使其他缓存行失效，修改完本地 a=3 后，缓存行标记为 M

MESI.pdf