30、多处理器系统缓存协议的深入解析与优化

多处理器系统缓存协议的深入解析与优化

在多处理器系统中，缓存协议对于维护数据一致性和提高系统性能至关重要。本文将详细介绍多处理器系统中常见的缓存协议，包括其工作原理、优化策略以及在不同场景下的应用。

1. 缓存状态与所有权转移

在多处理器系统中，缓存块有不同的状态，如 E（独占）、O（共享且可写）、M（修改）等。当一个处于 E 状态的缓存块被另一个缓存请求时，本地缓存副本会转变为 O 状态，并响应来自总线的读请求，直到所有权转移到其他缓存或内存。如果一个处于 O 状态的缓存块被替换，该块会被写回内存，所有权也会转移到内存；如果是 M 状态的缓存块被替换，所有权同样转移到内存。当处于 O、E 或 M 状态的缓存块被无效化时，所有权会转移到写入该块的节点。

常见的缓存协议如 MESI 协议，它是 MOESI 协议的子集。MESI 协议通过引入 E 状态，在多程序环境中减少了总线流量，因为它消除了大部分总线升级请求。

2. 缓存协议的优化

2.1 基于无效化的缓存协议优化

2.1.1 生产者 - 消费者共享优化

生产者 - 消费者共享是一种程序行为，其中一个或多个生产者线程修改数据，随后一个或多个消费者线程读取这些数据。在 MSI 协议下，这种共享模式会导致大量的总线事务，消耗宝贵的总线带宽并增加读取延迟。

为了解决这个问题，可以采用读嗅探（read snarfing）或读广播（read broadcast）的方法。当处理器 P2 的缓存控制器请求一个块时，该块会被加载到所有三个缓存中。当块返回时，所有处于无效状态且有该块副本的缓存会在总线传输时获取该块。但这种优化方法也有缺