MESI协议工作流程详解

最新推荐文章于 2026-01-10 12:00:13 发布

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CPU缓存一致性问题中，为了保证多CPU之间对于同一个变量的数据一致性，我们需要让多CPU之间有办法进行互相同步，总线嗅探 可以让各个CPU之间的读写事件互相传递，比如CPU A写了变量i，那就需要把这份脏数据同步到其他核心比如核心 B，那就需要使用广播的机制。（总线嗅探的工作机制可以这么去理解）

同时还需要MESI协议，这个协议可以保证对于同一变量在多个CPU之间串行化。

用一个具体的例子，配合状态变化图，彻底讲清楚MESI协议如何保证多核CPU的缓存一致性。

1. 初始状态

变量 i：初始值为 0，存储在内存中。
CPU核心：双核（核心A、核心B），各自的L1 Cache初始为空。
Cache Line状态：所有Cache Line初始为 Invalid（无效）。

内存: i = 0
核心A Cache: i -> Invalid
核心B Cache: i -> Invalid

2. 核心A首次读取 `i`

动作：核心A从内存加载 i 到自己的Cache。
状态变化：
- 因为其他核心没有缓存 i，核心A独占数据。
- Cache Line状态变为 Exclusive（独占）。

内存: i = 0
核心A Cache: i = 0 (Exclusive)
核心B Cache: i -> Invalid

✅ 关键点：Exclusive状态下，核心A可直接修改 i，无需通知其他核心。

3. 核心B读取 `i`

动作：核心B尝试读取 i，发现核心A已缓存。
总线嗅探：核心A通过总线将 i=0 传给核心B。
状态变化：
- 两核心的Cache Line均变为 Shared（共享）。

内存: i = 0
核心A Cache: i = 0 (Shared)
核心B Cache: i = 0 (Shared)

✅ 关键点：Shared状态下，任何核心修改 i 需先广播无效化（Invalidate）其他核心的Cache。

4. 核心A修改 `i`（`i = 1`）

动作：
1. 核心A广播 Invalidate 信号，要求其他核心的 i 失效。
2. 核心B收到信号，将 i 的Cache Line标记为 Invalid。
3. 核心A更新 i=1，状态变为 Modified（已修改）。

内存: i = 0 （未更新）
核心A Cache: i = 1 (Modified)  // 脏数据，未同步到内存
核心B Cache: i -> Invalid      // 已失效

✅ 关键点：Modified状态下，数据仅存在于核心A的Cache，与内存不一致。

5. 核心B再次读取 `i`

动作：
1. 核心B发现自己的 i 为 Invalid，向总线发起读请求。
2. 核心A嗅探到请求，将脏数据 i=1 写回内存，并传给核心B。
3. 两核心的Cache Line状态均变为 Shared。

内存: i = 1 （已同步）
核心A Cache: i = 1 (Shared)
核心B Cache: i = 1 (Shared)

✅ 关键点：脏数据回写后，两核心重新共享一致数据。

6. 核心A再次修改 `i`（`i = 2`）

状态：此时 i 为 Shared。
动作：
1. 核心A再次广播 Invalidate，使核心B的 i 失效。
2. 核心A直接修改 i=2，状态变为 Modified。

内存: i = 1 （未更新）
核心A Cache: i = 2 (Modified)  // 新脏数据
核心B Cache: i -> Invalid

状态转换图

[Invalid] ←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←
  ↑ Load (首次读)           ↑ Invalidate (其他核心修改)
  |                         |
[Exclusive] → Shared by Other Core → [Shared]
  |                             ↓
  | Write (直接修改)       Invalidate + Write → [Modified]
  ↓                             ↑
[Modified] → Write Back to Memory → [Shared]