目标是架构师，但到现在还不会MESI？

最近在补充学习MESI 为了记录自己的努力成长，同时让大家和我一起成长特地把自己关于MESI的学习做成了笔记分享给大家 ：

1.CPU为何要有高速缓存

CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展，然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题，CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题。

在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。

• 时间局部性（Temporal Locality）：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。比如循环、递归、方法的反复调用等。

• 空间局部性（Spatial Locality）：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。

带有高速缓存的CPU执行计算的流程

• 1. 程序以及数据被加载到主内存

• 2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存

• 3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存

• 4. 高速缓存中的数据写回主内存

目前流行的多级缓存结构

由于CPU的运算速度超越了1级缓存的数据I\O能力，CPU厂商又引入了多级的缓存结构。

多级缓存结构

       

2.多核CPU多级缓存一致性协议MESI

多核CPU的情况下有多个一级缓存，如何保证缓存内部数据的一致,不让系统数据混乱。这里就引出了一个 一致性的协议MESI。

MESI协议缓存状态

MESI 是指4中状态的首字母。每个Cache line有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是：

缓存行（Cache line）:缓存存储数据的单元。注意：对于M和E状态而言总是精确的，他们在和该缓存行的真正状态是一致的，而S状态可能是非一致的。如果 一个缓存将处于S状态的缓存行作废了，而另一个缓存实际上可能已经独享了该缓存行，但是该缓存却不会 将该缓存行升迁为E状态，这是因为其它缓存不会广播他们作废掉该缓存行的通知，同样由于缓存并没有保 存该缓存行的copy的数量，因此（即使有这种通知）也没有办法确定自己是否已经独享了该缓存行。从上面的意义看来E状态是一种投机性的优化：如果一个CPU想修改一个处于S状态的缓存行，总线事务需

要将所有该缓存行的copy变成invalid状态，而修改E状态的缓存不需要使用总线事务。

MESI状态转换

理解该图的前置说明：

1.触发事件

2.cache分类：

前提：所有的cache共同缓存了主内存中的某一条数据。

本地cache：指当前cpu的cache。

触发cache：触发读写事件的cache。

其他cache：指既除了以上两种之外的cache。

注意：本地的事件触发 本地cache和触发cache为相同

上图的切换解释：

下图示意了，当一个cache line的调整的状态的时候，另外一个cache line 需要调整的状态。

举个栗子来说：

假设cache 1 中有一个变量x = 0的cache line 处于S状态(共享)。

那么其他拥有x变量的cache 2、cache 3等x的cache line调整为S状态（共享）或者调整为 I 状态（无效）。

多核缓存协同操作

假设有三个CPU A、B、C，对应三个缓存分别是cache a、b、 c。在主内存中定义了x的引用值为0。

       

        

单核读取

那么执行流程是：

CPU A发出了一条指令，从主内存中读取x。

从主内存通过bus读取到缓存中（远端读取Remote read）,这是该Cache line修改为E状态（独享）.

       

        

双核读取

那么执行流程是：

1. CPU A发出了一条指令，从主内存中读取x。

2. CPU A从主内存通过bus读取到 cache a中并将该cache line 设置为E状态。

3. CPU B发出了一条指令，从主内存中读取x。

4. CPU B试图从主内存中读取x时，CPU A检测到了地址冲突。这时CPU A对相关数据做出响应。此时x 存储

5. 于cache a和cache b中，x在chche a和cache b中都被设置为S状态(共享)。

同步数据

那么执行流程是：

1. CPU B 发出了要读取x的指令。

2. CPU B 通知CPU A,CPU A将修改后的数据同步到主内存时cache a 修改为E（独享）

3. CPU A同步CPU B的x,将cache a和同步后cache b中的x设置为S状态（共享）

       

3.缓存行伪共享

什么是伪共享？

CPU缓存系统中是以缓存行（cache line）为单位存储的。目前主流的CPU Cache 的

Cache Line 大小都是64Bytes。在多线程情况下，如果需要修改“共享同一个缓存行的变 量”，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享（False Sharing）。

举个例子: 现在有2个long 型变量 a 、b，如果有t1在访问a，t2在访问b，而a与b刚好在同一个

cache line中，此时t1先修改a，将导致b被刷新！

怎么解决伪共享？

Java8中新增了一个注解：@sun.misc.Contended。加上这个注解的类会自动补齐缓

存行，需要注意的是此注解默认是无效的，需要在jvm启动时设置 -XX:RestrictContended 才会生效。

到这里我们对于MESI已经有了一定的了解，除开今天分享的内容，我这里专门和几个大佬准备了一份技术进阶+项目经验+面试突击的资料，包含了十多个互联网大厂的面试题、面经汇总和20个技术栈资料合集，吃透这份资料，技术面和面试关完全不是问题！同时还有大厂项目实战的视频解析，那些你缺乏的项目经验都可以从中积累。

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