計(jì)算機(jī)組成原理cache論文-緩存一致性的解決方案

1、緩存一致性的解決方案摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU時(shí)計(jì)算機(jī)組成的核心部分，提高CPU的性能一直是一個(gè)很重要的課題，所以CPU從單核提高到多核，但是總會(huì)有一些技術(shù)上的難題需要解決，這其中，Cache的一致性問(wèn)題的解決就推動(dòng)計(jì)算機(jī)多核的發(fā)展，解決一致性人們提出了一些協(xié)議，這其中比較好的解決方案是MESI協(xié)議，MESI協(xié)議通過(guò)監(jiān)視機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)視總系的事務(wù)，當(dāng)修改某一緩存時(shí)，通過(guò)通知其它同樣持有同一內(nèi)容的緩存來(lái)保持緩存的一致性。這一協(xié)議是目前比較好的解決緩存一致性問(wèn)題的解決方案，本篇文章就這一經(jīng)典協(xié)議做了分析與總結(jié)。關(guān)鍵詞：緩存 一致性 窺探 協(xié)議引言現(xiàn)代的CPU上，大部分都需要通過(guò)緩存來(lái)進(jìn)行

2、內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，由于物理架構(gòu)的原因，CPU沒(méi)有管腳直接連到內(nèi)存，所以CPU的讀/寫(xiě)（以及取指令）單元正常情況下不能進(jìn)行直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。相反，CPU和一級(jí)緩存通訊，而一級(jí)緩存才能和內(nèi)存通訊 。而現(xiàn)在又大多有了二級(jí)緩存，甚至三級(jí)緩存。緩存是分段（line）的，即下文要用的“緩存段”（cache line），當(dāng)我們提到”緩存段”的時(shí)候，就是指一段和緩存大小對(duì)齊的內(nèi)存，而不關(guān)心里面的內(nèi)容是否真正被緩存進(jìn)去。當(dāng)CPU看到一條讀內(nèi)存指令時(shí)，它會(huì)把內(nèi)存地址傳遞給一級(jí)數(shù)據(jù)緩存，一級(jí)數(shù)據(jù)緩存會(huì)檢查它是否有這個(gè)內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的緩存段，沒(méi)有的話(huà)，它會(huì)把對(duì)應(yīng)的緩存段加載進(jìn)來(lái)。如果進(jìn)行的是讀操作，這就很簡(jiǎn)單，所有級(jí)別的緩存都遵循

3、以下規(guī)律：在任意時(shí)刻，任意級(jí)別緩存中的緩存段的內(nèi)容，等同于它關(guān)聯(lián)內(nèi)存中的內(nèi)容。如果進(jìn)行寫(xiě)操作，情況就會(huì)變得復(fù)雜些，一般分為兩種基本的寫(xiě)模式：直寫(xiě)（write-through）和回寫(xiě)（write-back）。直寫(xiě)簡(jiǎn)單一點(diǎn)：透過(guò)緩存，直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)到下一級(jí)內(nèi)存中，如果對(duì)應(yīng)的段被緩存了，就更新緩存中的內(nèi)容，同樣遵循前面的定律：緩存中的段永遠(yuǎn)和它關(guān)聯(lián)內(nèi)存的內(nèi)容匹配?；貙?xiě)相對(duì)復(fù)雜一些，回寫(xiě)模式下不會(huì)立即把數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí)，而是僅僅修改本級(jí)緩存中的內(nèi)容，并將其標(biāo)記為“臟段”，“臟段”會(huì)在觸發(fā)回寫(xiě)，就是將緩存段中的內(nèi)容傳遞給下一級(jí)，然后臟段又變干凈了，即當(dāng)一個(gè)臟段被丟棄了，總是要進(jìn)行一次回寫(xiě)，在回寫(xiě)模式中，去

4、掉了“任意時(shí)刻”這個(gè)修飾詞，而是以相對(duì)弱化的條件代替它：緩存段干凈時(shí)，緩存段的內(nèi)容和內(nèi)存一致；緩存段是臟段時(shí)，緩存段中的內(nèi)容最終要回寫(xiě)到內(nèi)存中，也就是說(shuō)可以允許關(guān)聯(lián)內(nèi)存不和緩存內(nèi)容同步，但最終要同步。問(wèn)題由來(lái)在計(jì)算機(jī)中，Cache的出現(xiàn)是為了CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的速度，只有一個(gè)CPU時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)必將難處理的情況，但是有多個(gè)CPU時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)難解決的問(wèn)題：Cache的一致性如何保證。具體情況是，多組緩存會(huì)共同持有一塊內(nèi)存的內(nèi)容，如果某一緩存修改了這塊內(nèi)存的內(nèi)容，那么其它緩存中就不知道這個(gè)情況，就會(huì)造成緩存的不一致問(wèn)題，想要解決問(wèn)題，如果讓多個(gè)CPU公用一個(gè)緩存，每當(dāng)有指令時(shí)，讓這些CPU一個(gè)一個(gè)執(zhí)行

5、指令，所以每次只有一個(gè)CPU在執(zhí)行指令，雖然這樣可以解決緩存不一致問(wèn)題，但這樣會(huì)太浪費(fèi)時(shí)間，效率太低，問(wèn)題的根源在于有多組緩存，而上面的方法是一組緩存，所以如果將多組緩存看成一組緩存，看似很難實(shí)現(xiàn)，但這確實(shí)是可行的，為了實(shí)現(xiàn)這樣的想法，緩存一致性協(xié)議就應(yīng)運(yùn)而生了，這個(gè)協(xié)議就是能夠保證緩存內(nèi)容的一致性，使多核的效率很大地提高。緩存一致性協(xié)議又有好幾種，目前多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的使“窺探（snooping）”協(xié)議，這就是本文的主要講的協(xié)議?！案Q探”機(jī)制窺探一種是緩存中的窺探器監(jiān)視總線(xiàn)事務(wù)的機(jī)制，它的目標(biāo)是為了處理好緩存一致性的問(wèn)題，這個(gè)機(jī)制是Ravishankar和Goodman在1983年提出的。當(dāng)

6、一個(gè)特定的數(shù)據(jù)被多個(gè)緩存共享時(shí)，并且有一個(gè)處理器要修改這個(gè)共享數(shù)據(jù)，那么必須要通知其它擁有這個(gè)數(shù)據(jù)拷貝的緩存。否則，就會(huì)違背緩存一致性。這個(gè)數(shù)據(jù)更改通知就可以通過(guò)監(jiān)視總線(xiàn)來(lái)完成。所有的監(jiān)視器監(jiān)視總線(xiàn)上的每個(gè)事務(wù)，如果總線(xiàn)上有一個(gè)修改共享緩存塊事務(wù)，相應(yīng)的監(jiān)視器就會(huì)確保緩存的一致性。所謂的修改也就是在上面有提到兩種寫(xiě)模式，在直寫(xiě)模式下，沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)閷?xiě)操作一執(zhí)行，它的效果是立即顯現(xiàn)的，不會(huì)有停留。但是如果存在回寫(xiě)模式，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)橛锌赡茉趯?xiě)指令執(zhí)行過(guò)后很久，才會(huì)觸發(fā)回寫(xiě)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)回內(nèi)存中去（這是由于回寫(xiě)機(jī)制決定的）在這段時(shí)間內(nèi)，就可能會(huì)出現(xiàn)其它處理器的緩存也去寫(xiě)這塊內(nèi)存，這樣就情況就變得不

7、好處理。在回寫(xiě)模型中，如果僅僅把寫(xiě)操作信息通知給其它處理器是不夠的，由于回寫(xiě)機(jī)制會(huì)有時(shí)間延遲，所以我們還要做的是，在修改之前就要通知其它處理器，這樣就可以避免其它處理器也去寫(xiě)這塊內(nèi)存。具體想法有了，人們就提出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的目前最有效的方案，就是MESI協(xié)議（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）。MESI協(xié)議MESI是四種緩存狀態(tài)英文首字母的縮寫(xiě)，并且規(guī)定多核體統(tǒng)中的cache line都只處于這四種狀態(tài)。· 已修改（Modified）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory僅在一個(gè)Cache中被緩存了，而且其在Cache中的緩存與在內(nèi)存中的

8、值也是不一致的！· 獨(dú)占（Exclusive）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory僅在一個(gè)Cache中被緩存了，并且其在緩存中的內(nèi)容與內(nèi)存中的內(nèi)容一致。· 共享（Shared）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory在多個(gè)Cache中被緩存了，并且所有緩存中的內(nèi)容與在內(nèi)存中的內(nèi)容一致。· 失效（Invalid）緩存段，表明當(dāng)前緩存段無(wú)效。操作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換基于兩個(gè)激發(fā)。第一個(gè)激發(fā)是：處理器本身發(fā)出讀或?qū)懻?qǐng)求，當(dāng)一個(gè)CPU在Cache中有一個(gè)緩存段，并且CPU需要從這個(gè)緩存段中讀或?qū)?。第二個(gè)激發(fā)是：來(lái)自于其它處理器，沒(méi)有該緩存段或者在本Cache

9、里已經(jīng)更新數(shù)據(jù)，而在其它處理器中的Cache還沒(méi)有更新。總線(xiàn)請(qǐng)求被“窺探器”一直窺探著。寫(xiě)操作：如果cache line是M或E狀態(tài)，那么它只能被寫(xiě)。也即在這兩種狀態(tài)下，處理器是獨(dú)占cache line的，所以不會(huì)有任何沖突。如果是S狀態(tài)，必須先發(fā)送Requerst-For-Ownership讓其它Cache中關(guān)聯(lián)到同一內(nèi)存地址的cache line變?yōu)镮狀態(tài)后才能被寫(xiě)。讀操作：一個(gè)緩存中有M狀態(tài)的cache line，必須“窺探”所有內(nèi)存關(guān)聯(lián)Cache的讀操作，并且監(jiān)聽(tīng)到讀操作后，可以使讀操作延遲，然后寫(xiě)回主存并將該cache line置為S狀態(tài)。若是E狀態(tài)的cache line，同樣“窺探

10、”所有內(nèi)存關(guān)聯(lián)Cache的讀操作，并在監(jiān)聽(tīng)到讀操作后將其狀態(tài)有E置為S狀態(tài)。一個(gè)緩存中有S狀態(tài)的cache line，必須監(jiān)聽(tīng)來(lái)自其它緩存的棄用或申請(qǐng)主權(quán)廣播，在收到廣播后棄用該cache line，置其于I狀態(tài)。Read For Ownership是一個(gè)緩存一致性里組合一個(gè)讀和一個(gè)丟棄的廣播的操作。該操作是一個(gè)處理器嘗試寫(xiě)一個(gè)處于S或I狀態(tài)的cache line，這個(gè)操作引起所有其它緩存置這樣的cache line于狀態(tài)I，一個(gè)這個(gè)操作是獨(dú)占的，它給緩存帶來(lái)數(shù)據(jù)并丟棄其它所有的cache line。結(jié)論本文就為解決緩存一致性的MESI協(xié)議進(jìn)行了分析，通過(guò)MESI協(xié)議能夠很好地處理多核情況下緩

11、存一致性的問(wèn)題，是比較好的解決方式，是值得程序員們深入理解的一套協(xié)議。PaperPass檢測(cè)報(bào)告簡(jiǎn)明打印版比對(duì)結(jié)果（相似度）：26.13%編號(hào)：VIP215649標(biāo)題：計(jì)算機(jī)組成原理cache論文長(zhǎng)度：2611字符(不計(jì)空格)句子數(shù)：83句時(shí)間：2016-10-28 21:36:15對(duì)比庫(kù)：學(xué)術(shù)期刊、學(xué)位論文、會(huì)議論文、互聯(lián)網(wǎng)資源相似資源列表：1.相似度：11.86%篇名：Cache中被緩存了，并且所有緩存中的內(nèi)容與在內(nèi)存中的內(nèi)容一致。2.相似度：88.89%篇名：MESI協(xié)議3.相似度：6.25%篇名：MESI是四種緩存狀態(tài)英文首字母的縮寫(xiě)，并且規(guī)定多核體統(tǒng)中的cache line都只處于這

12、四種狀態(tài)。4.相似度：15.52%篇名：Read For Ownership是一個(gè)緩存一致性里組合一個(gè)讀和一個(gè)丟棄的5.相似度：47.89%篇名：U沒(méi)有管腳直接連到內(nèi)存，所以CPU的讀/寫(xiě)（以及取指令）單元正常情況下不能進(jìn)6.相似度：11.27%篇名：ache的讀操作，并且監(jiān)聽(tīng)到讀操作后，可以使讀操作延遲，然后寫(xiě)回主存并將該cache line置為S狀態(tài)。7.相似度：34.29%篇名：e-through）和回寫(xiě)（write-back）。8.相似度：43.42%篇名：在這段時(shí)間內(nèi)，就可能會(huì)出現(xiàn)其它處理器的緩存也去寫(xiě)這塊內(nèi)存，這樣就情況就變得9.相似度：16.67%篇名：“窺探”機(jī)制10.相似度：

13、15.38%篇名：一個(gè)緩存中有S狀態(tài)的cache line，必須來(lái)自其它緩存的監(jiān)聽(tīng)棄用或申請(qǐng)主11.相似度：18.42%篇名：不好處理。在回寫(xiě)模型中，如果僅僅把寫(xiě)操作信息通知給其它處理器是不夠的，由于回12.相似度：19.64%篇名：個(gè)修改共享緩存塊事務(wù)，相應(yīng)的監(jiān)視器就會(huì)確保緩存的一致性。13.相似度：18.42%篇名：中的內(nèi)容，并將其標(biāo)記為“臟段”，“臟段”會(huì)在觸發(fā)回寫(xiě)，就是將緩存段中的內(nèi)容傳14.相似度：26.15%篇名：僅在一個(gè)Cache中被緩存了，并且其在緩存中的內(nèi)容與內(nèi)存中的內(nèi)容一致。15.相似度：12.12%篇名：僅在一個(gè)Cache中被緩存了，而且其在Cache中的緩存與在內(nèi)存中的

14、值也是不一致的！16.相似度：15.79%篇名：令執(zhí)行過(guò)后很久，才會(huì)觸發(fā)回寫(xiě)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)回內(nèi)存中去（這是由于回寫(xiě)機(jī)制決定的）17.相似度：17.81%篇名：以每次只有一個(gè)CPU在執(zhí)行指令，雖然這樣可以解決緩存不一致問(wèn)題，但這樣會(huì)太浪費(fèi)時(shí)間，效率太低，18.相似度：8.70%篇名：會(huì)出現(xiàn)必將難處理的情況，但是有多個(gè)CPU時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)難解決的問(wèn)題：Cache的一致性如何保證。19.相似度：29.63%篇名：共享（Shared）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory在多個(gè)20.相似度：48.28%篇名：關(guān)鍵詞：緩存 一致性 窺探 協(xié)議21.相似度：13.16%篇名：具體情況是，多組緩存會(huì)

15、共同持有一塊內(nèi)存的內(nèi)容，如果某一緩存修改了這塊內(nèi)存的內(nèi)22.相似度：14.06%篇名：寫(xiě)操作：如果cache line是M或E狀態(tài)，那么它只能被寫(xiě)。也即在這兩種狀23.相似度：10.53%篇名：寫(xiě)機(jī)制會(huì)有時(shí)間延遲，所以我們還要做的是，在修改之前就要通知其它處理器，這樣就24.相似度：23.53%篇名：決一致性人們提出了一些協(xié)議，這其中比較好的解決方案是MESI協(xié)議，MESI協(xié)25.相似度：3.77%篇名：前最有效的方案，就是MESI協(xié)議（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）。26.相似度：21.05%篇名：可以避免其它處理器也去寫(xiě)這塊內(nèi)存。具體想法有了，人們就提

16、出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的目27.相似度：10.53%篇名：回寫(xiě)模式中，去掉了“任意時(shí)刻”這個(gè)修飾詞，而是以相對(duì)弱化的條件代替它：緩存段28.相似度：13.16%篇名：回寫(xiě)相對(duì)復(fù)雜一些，回寫(xiě)模式下不會(huì)立即把數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí)，而是僅僅修改本級(jí)緩存29.相似度：15.79%篇名：在上面有提到兩種寫(xiě)模式，在直寫(xiě)模式下，沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)閷?xiě)操作一執(zhí)行，它的效果是30.相似度：12.31%篇名：在計(jì)算機(jī)中，Cache的出現(xiàn)是為了CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的速度，只有一個(gè)CPU時(shí)，不31.相似度：39.53%篇名：失效（Invalid）緩存段，表明當(dāng)前緩存段無(wú)效。32.相似度：15.71%篇名：如果讓多個(gè)CPU公用一個(gè)緩存，每當(dāng)

17、有指令時(shí)，讓這些CPU一個(gè)一個(gè)執(zhí)行指令，所33.相似度：33.33%篇名：如果進(jìn)行寫(xiě)操作，情況就會(huì)變得復(fù)雜些，一般分為兩種基本的寫(xiě)模式：直寫(xiě)（writ34.相似度：7.89%篇名：如果進(jìn)行的是讀操作，這就很簡(jiǎn)單，所有級(jí)別的緩存都遵循以下規(guī)律：在任意時(shí)刻，任35.相似度：16.13%篇名：存中，也就是說(shuō)可以允許關(guān)聯(lián)內(nèi)存不和緩存內(nèi)容同步，但最終要同步。36.相似度：13.16%篇名：容，那么其它緩存中就不知道這個(gè)情況，就會(huì)造成緩存的不一致問(wèn)題，想要解決問(wèn)題，37.相似度：38.46%篇名：已修改（Modified）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory38.相似度：34.21%篇名：干

18、凈時(shí)，緩存段的內(nèi)容和內(nèi)存一致；緩存段是臟段時(shí)，緩存段中的內(nèi)容最終要回寫(xiě)到內(nèi)39.相似度：31.25%篇名：廣播的操作。該操作是一個(gè)處理器嘗試寫(xiě)一個(gè)處于S或I狀態(tài)的cache line40.相似度：14.47%篇名：當(dāng)一個(gè)特定的數(shù)據(jù)被多個(gè)緩存共享時(shí)，并且有一個(gè)處理器要修改這個(gè)共享數(shù)據(jù)，那么必41.相似度：100.00%篇名：必須先發(fā)送Requerst-For-Ownership讓其它Cache中關(guān)聯(lián)42.相似度：27.69%篇名：態(tài)下，處理器是獨(dú)占cache line的，所以不會(huì)有任何沖突。如果是S狀態(tài)，43.相似度：18.75%篇名：總線(xiàn)請(qǐng)求被“窺探器”一直窺探著。44.相似度：59.26%篇

19、名：意級(jí)別緩存中的緩存段的內(nèi)容，等同于它關(guān)聯(lián)內(nèi)存中的內(nèi)容。45.相似度：60.53%篇名：我們提到”緩存段”的時(shí)候，就是指一段和緩存大小對(duì)齊的內(nèi)存，而不關(guān)心里面的內(nèi)容46.相似度：65.79%篇名：據(jù)緩存，一級(jí)數(shù)據(jù)緩存會(huì)檢查它是否有這個(gè)內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的緩存段，沒(méi)有的話(huà)，它會(huì)把對(duì)應(yīng)的緩存段加載進(jìn)來(lái)。47.相似度：40.00%篇名：摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU時(shí)計(jì)算機(jī)組成的核心部分，提高CPU的性48.相似度：43.84%篇名：是否真正被緩存進(jìn)去。當(dāng)CPU看到一條讀內(nèi)存指令時(shí)，它會(huì)把內(nèi)存地址傳遞給一級(jí)數(shù)49.相似度：20.37%篇名：是獨(dú)占的，它給緩存帶來(lái)數(shù)據(jù)并丟棄所有其它的cache l

20、ine。50.相似度：39.47%篇名：更新緩存中的內(nèi)容，同樣遵循前面的定律：緩存中的段永遠(yuǎn)和它關(guān)聯(lián)內(nèi)存的內(nèi)容匹配。51.相似度：16.18%篇名：本文就為解決緩存一致性的MESI協(xié)議進(jìn)行了分析，通過(guò)MESI協(xié)議能夠很好地處52.相似度：3.92%篇名：權(quán)廣播，在收到廣播后棄用該cache line，置其于I狀態(tài)。53.相似度：10.81%篇名：段，并且CPU需要從這個(gè)緩存段中讀或?qū)憽?4.相似度：16.67%篇名：狀態(tài)的轉(zhuǎn)換基于兩個(gè)激發(fā)。55.相似度：37.25%篇名：獨(dú)占（Exclusive）緩存段，表明cache line對(duì)應(yīng)的memory56.相似度：21.13%篇名：現(xiàn)代的CPU上，

21、大部分都需要通過(guò)緩存來(lái)進(jìn)行內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，由于物理架構(gòu)的原因，CP57.相似度：21.05%篇名：理多核情況下緩存一致性的問(wèn)題，是比較好的解決方式，是值得程序員們深入理解的一套協(xié)議。58.相似度：32.89%篇名：直寫(xiě)簡(jiǎn)單一點(diǎn)：透過(guò)緩存，直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)到下一級(jí)內(nèi)存中，如果對(duì)應(yīng)的段被緩存了，就59.相似度：28.95%篇名：看似很難實(shí)現(xiàn)，但這確實(shí)是可行的，為了實(shí)現(xiàn)這樣的想法，緩存一致性協(xié)議就應(yīng)運(yùn)而生了，60.相似度：17.11%篇名：知就可以通過(guò)監(jiān)視總線(xiàn)來(lái)完成。所有的監(jiān)視器監(jiān)視總線(xiàn)上的每個(gè)事務(wù)，如果總線(xiàn)上有一61.相似度：7.89%篇名：窺探一種是緩存中的窺探器監(jiān)視總線(xiàn)事務(wù)的機(jī)制，它的目標(biāo)是為了處理好緩

22、存一致性的62.相似度：10.53%篇名：立即顯現(xiàn)的，不會(huì)有停留。但是如果存在回寫(xiě)模式，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)橛锌赡茉趯?xiě)指63.相似度：17.65%篇名：第一個(gè)激發(fā)是：處理器本身發(fā)出讀或?qū)懻?qǐng)求，當(dāng)一個(gè)CPU在Cache中有一個(gè)緩存64.相似度：7.04%篇名：第二個(gè)激發(fā)是：來(lái)自于其它處理器，沒(méi)有該緩存段或者在本Cache里已經(jīng)更新數(shù)據(jù)65.相似度：17.65%篇名：緩存一致性協(xié)議又有好幾種，目前多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的使“窺探（snooping）”協(xié)議，這就是本文的主要講的協(xié)議。66.相似度：17.74%篇名：緩存是分段（line）的，即下文要用的“緩存段”（cache line），當(dāng)67.相似度：16

23、.44%篇名：能一直是一個(gè)很重要的課題，所以CPU從單核提高到多核，但是總會(huì)有一些技術(shù)上的68.相似度：18.33%篇名：若是E狀態(tài)的cache line，同樣“窺探”所有內(nèi)存關(guān)聯(lián)Cache的讀操作69.相似度：38.89%篇名：行直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。相反，CPU和一級(jí)緩存通訊，而一級(jí)緩存才能和內(nèi)存通訊 。而現(xiàn)在又大多有了二級(jí)緩存，甚至三級(jí)緩存。70.相似度：10.53%篇名：議通過(guò)監(jiān)視機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)視總系的事務(wù)，當(dāng)修改某一緩存時(shí)，通過(guò)通知其它同樣持有同一內(nèi)容的緩存來(lái)保持緩存的一致性。71.相似度：10.94%篇名：讀操作：一個(gè)緩存中有M狀態(tài)的cache line，必須“窺探”所有內(nèi)存關(guān)聯(lián)C72.相似

24、度：18.42%篇名：這一協(xié)議是目前比較好的解決緩存一致性問(wèn)題的解決方案，本篇文章就這一經(jīng)典協(xié)議做了分析與總結(jié)。73.相似度：20.97%篇名：這個(gè)協(xié)議就是能夠保證緩存內(nèi)容的一致性，使多核的效率很大地提高。74.相似度：21.05%篇名：遞給下一級(jí)，然后臟段又變干凈了，即當(dāng)一個(gè)臟段被丟棄了，總是要進(jìn)行一次回寫(xiě)，在75.相似度：15.79%篇名：?jiǎn)栴}的根源在于有多組緩存，而上面的方法是一組緩存，所以如果將多組緩存看成一組緩存，76.相似度：21.15%篇名：?jiǎn)栴}，這個(gè)機(jī)制是Ravishankar和Goodman在1983年提出的。77.相似度：22.54%篇名：難題需要解決，這其中，Cache的

25、一致性問(wèn)題的解決就推動(dòng)計(jì)算機(jī)多核的發(fā)展，解78.相似度：15.79%篇名：須要通知其它擁有這個(gè)數(shù)據(jù)拷貝的緩存。否則，就會(huì)違背緩存一致性。這個(gè)數(shù)據(jù)更改通79.相似度：19.05%篇名：，并在監(jiān)聽(tīng)到讀操作后將其狀態(tài)有E置為S狀態(tài)。80.相似度：32.43%篇名：，而在其它處理器中的Cache還沒(méi)有更新。81.相似度：15.38%篇名：，這個(gè)操作引起所有其它緩存置這樣的cache line于狀態(tài)I，一個(gè)這個(gè)操作全文簡(jiǎn)明報(bào)告：緩存一致性的解決方案摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU時(shí)計(jì)算機(jī)組成的核心部分，提高CPU的性能一直是一個(gè)很重要的課題，所以CPU從單核提高到多核，但是總會(huì)有一些技術(shù)上的難題需

26、要解決，這其中，Cache的一致性問(wèn)題的解決就推動(dòng)計(jì)算機(jī)多核的發(fā)展，解決一致性人們提出了一些協(xié)議，這其中比較好的解決方案是MESI協(xié)議，MESI協(xié)議通過(guò)監(jiān)視機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)視總系的事務(wù)，當(dāng)修改某一緩存時(shí)，通過(guò)通知其它同樣持有同一內(nèi)容的緩存來(lái)保持緩存的一致性。這一協(xié)議是目前比較好的解決緩存一致性問(wèn)題的解決方案，本篇文章就這一經(jīng)典協(xié)議做了分析與總結(jié)。關(guān)鍵詞：緩存 一致性 窺探 協(xié)議引言現(xiàn)代的CPU上，大部分都需要通過(guò)緩存來(lái)進(jìn)行內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，由于物理架構(gòu)的原因，CPU沒(méi)有管腳直接連到內(nèi)存，所以CPU的讀/寫(xiě)（以及取指令）單元正常情況下不能進(jìn)行直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。相反，CPU和一級(jí)緩存通訊，而一級(jí)緩存才能和內(nèi)存通訊

27、 。而現(xiàn)在又大多有了二級(jí)緩存，甚至三級(jí)緩存。緩存是分段（line）的，即下文要用的“緩存段”（cache line），當(dāng)我們提到”緩存段”的時(shí)候，就是指一段和緩存大小對(duì)齊的內(nèi)存，而不關(guān)心里面的內(nèi)容是否真正被緩存進(jìn)去。當(dāng)CPU看到一條讀內(nèi)存指令時(shí)，它會(huì)把內(nèi)存地址傳遞給一級(jí)數(shù)據(jù)緩存，一級(jí)數(shù)據(jù)緩存會(huì)檢查它是否有這個(gè)內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的緩存段，沒(méi)有的話(huà)，它會(huì)把對(duì)應(yīng)的緩存段加載進(jìn)來(lái)。如果進(jìn)行的是讀操作，這就很簡(jiǎn)單，所有級(jí)別的緩存都遵循以下規(guī)律：在任意時(shí)刻，任意級(jí)別緩存中的緩存段的內(nèi)容，等同于它關(guān)聯(lián)內(nèi)存中的內(nèi)容。如果進(jìn)行寫(xiě)操作，情況就會(huì)變得復(fù)雜些，一般分為兩種基本的寫(xiě)模式：直寫(xiě)（write-through）和回

28、寫(xiě)（write-back）。直寫(xiě)簡(jiǎn)單一點(diǎn)：透過(guò)緩存，直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)到下一級(jí)內(nèi)存中，如果對(duì)應(yīng)的段被緩存了，就更新緩存中的內(nèi)容，同樣遵循前面的定律：緩存中的段永遠(yuǎn)和它關(guān)聯(lián)內(nèi)存的內(nèi)容匹配。回寫(xiě)相對(duì)復(fù)雜一些，回寫(xiě)模式下不會(huì)立即把數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí)，而是僅僅修改本級(jí)緩存中的內(nèi)容，并將其標(biāo)記為“臟段”，“臟段”會(huì)在觸發(fā)回寫(xiě)，就是將緩存段中的內(nèi)容傳遞給下一級(jí)，然后臟段又變干凈了，即當(dāng)一個(gè)臟段被丟棄了，總是要進(jìn)行一次回寫(xiě)，在回寫(xiě)模式中，去掉了“任意時(shí)刻”這個(gè)修飾詞，而是以相對(duì)弱化的條件代替它：緩存段干凈時(shí)，緩存段的內(nèi)容和內(nèi)存一致；緩存段是臟段時(shí)，緩存段中的內(nèi)容最終要回寫(xiě)到內(nèi)存中，也就是說(shuō)可以允許關(guān)聯(lián)內(nèi)存不和緩存內(nèi)

29、容同步，但最終要同步。問(wèn)題由來(lái)在計(jì)算機(jī)中，Cache的出現(xiàn)是為了CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的速度，只有一個(gè)CPU時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)必將難處理的情況，但是有多個(gè)CPU時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)難解決的問(wèn)題：Cache的一致性如何保證。具體情況是，多組緩存會(huì)共同持有一塊內(nèi)存的內(nèi)容，如果某一緩存修改了這塊內(nèi)存的內(nèi)容，那么其它緩存中就不知道這個(gè)情況，就會(huì)造成緩存的不一致問(wèn)題，想要解決問(wèn)題，如果讓多個(gè)CPU公用一個(gè)緩存，每當(dāng)有指令時(shí)，讓這些CPU一個(gè)一個(gè)執(zhí)行指令，所以每次只有一個(gè)CPU在執(zhí)行指令，雖然這樣可以解決緩存不一致問(wèn)題，但這樣會(huì)太浪費(fèi)時(shí)間，效率太低，問(wèn)題的根源在于有多組緩存，而上面的方法是一組緩存，所以如果將多組緩存看成一組

30、緩存，看似很難實(shí)現(xiàn)，但這確實(shí)是可行的，為了實(shí)現(xiàn)這樣的想法，緩存一致性協(xié)議就應(yīng)運(yùn)而生了，這個(gè)協(xié)議就是能夠保證緩存內(nèi)容的一致性，使多核的效率很大地提高。緩存一致性協(xié)議又有好幾種，目前多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的使“窺探（snooping）”協(xié)議，這就是本文的主要講的協(xié)議。“窺探”機(jī)制窺探一種是緩存中的窺探器監(jiān)視總線(xiàn)事務(wù)的機(jī)制，它的目標(biāo)是為了處理好緩存一致性的問(wèn)題，這個(gè)機(jī)制是Ravishankar和Goodman在1983年提出的。當(dāng)一個(gè)特定的數(shù)據(jù)被多個(gè)緩存共享時(shí)，并且有一個(gè)處理器要修改這個(gè)共享數(shù)據(jù)，那么必須要通知其它擁有這個(gè)數(shù)據(jù)拷貝的緩存。否則，就會(huì)違背緩存一致性。這個(gè)數(shù)據(jù)更改通知就可以通過(guò)監(jiān)視總線(xiàn)來(lái)完成。

31、所有的監(jiān)視器監(jiān)視總線(xiàn)上的每個(gè)事務(wù)，如果總線(xiàn)上有一個(gè)修改共享緩存塊事務(wù)，相應(yīng)的監(jiān)視器就會(huì)確保緩存的一致性。在上面有提到兩種寫(xiě)模式，在直寫(xiě)模式下，沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)閷?xiě)操作一執(zhí)行，它的效果是立即顯現(xiàn)的，不會(huì)有停留。但是如果存在回寫(xiě)模式，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)橛锌赡茉趯?xiě)指令執(zhí)行過(guò)后很久，才會(huì)觸發(fā)回寫(xiě)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)回內(nèi)存中去（這是由于回寫(xiě)機(jī)制決定的）在這段時(shí)間內(nèi)，就可能會(huì)出現(xiàn)其它處理器的緩存也去寫(xiě)這塊內(nèi)存，這樣就情況就變得不好處理。在回寫(xiě)模型中，如果僅僅把寫(xiě)操作信息通知給其它處理器是不夠的，由于回寫(xiě)機(jī)制會(huì)有時(shí)間延遲，所以我們還要做的是，在修改之前就要通知其它處理器，這樣就可以避免其它處理器也去寫(xiě)這塊內(nèi)存。具體想法有了，人們就提出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的目前最有效的方案，就是MESI協(xié)議（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）。MESI協(xié)議MESI是四種緩存狀態(tài)英文首字母的縮寫(xiě)，并且規(guī)定多核體統(tǒng)中的cache