CPU Cache 一致性：Cache 结构同步方式Cache 一致性总线嗅探MESI 协议

Posted 2023-01-29 凌桓丶

文章目录

• CPU Cache 一致性
• • CPU Cache 结构
  • Cache 同步方式
  • • Write Through（直写）
    • Write Back（写回）
  • Cache一致性问题
  • • 一致性问题
    • 总线嗅探
    • MESI协议

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CPU Cache 一致性

CPU Cache 结构

随着时间的推移，CPU 和内存的访问性能相差越来越大，为了弥补 CPU 与内存两者之间的性能差异，就在 CPU 内部引入了 CPU Cache，也称高速缓存。

CPU Cache 通常分为大小不等的三级缓存，分别是 L1 Cache、L2 Cache 和 L3 Cache。

• L1 Cache：L1 Cache 的访问速度几乎和寄存器一样快，通常在2~4 个时钟周期，而大小在几十 KB 到几百 KB 不等。每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 Cache，并且指令和数据在 L1 是分开存放的，所以 L1 Cache 通常分成指令缓存和数据缓存。
• L2 Cache：L2 Cache 同样每个 CPU 核心都有，但是 L2 Cache 的大小比 L1 Cache 更大，通常在几百KB到几MB不等，访问速度则更慢，速度在 10~20 个时钟周期
• L3 Cache：L3 Cache 通常是多个 CPU 核心共用的，大小比起 L2 Cache 也会更大些，通常在几 MB 到几十 MB不等，访问速度相对也比较慢一些，通常在 20~60 个时钟周期。

它们之间的层级关系如下图：

CPU Cache层级关系

介绍完了 CPU Cache 的层级关系后，再来聊聊它的构成。CPU Cache 其实是由多个 Cache Line 组成的，而 Cache Line 其实就是 CPU 从内存读取数据的基本单位，由 Tag（标志）和 Data Block（数据块）组成。

Cache 同步方式

当我们把数据写入 Cache 之后，必然会引起内存与 Cache 的数据不一致，此时我们就需要将数据同步回内存来确保数据的一致性。

通常我们会采用 Write Through（直写） 和 Write Back（写回） 两种方法。

Write Through（直写）

保证一致性最简单的一种方式，就是直写——把数据同时写入Cache和内存中。

具体流程如下图：

直写流程

这个方法虽然简单，但是在我们每次写数据时都需要将数据写入到内存中，由于内存 io 的性能比起 Cache 差了很多，因此性能非常不理想。

Write Back（写回）

从上面可以看出，直写最大的缺点就在于其每次都要将数据写入内存，导致性能不佳。为了减少写入内存的次数，此时又引入了写回——当CPU执行写操作时，数据不会立即写入内存，而是写入到Cache Block里，只有当Cache Block被替换出Cache时才会将其写入内存。其执行流程如下图：

写回流程

写回的流程比起直写要复杂许多，下面就简要说明几个地方。

• 当命中缓存时，只需要将数据更新到cache block中，并将其标记为脏，此时不需要写入内存。
• 当未命中缓存时，分配一个合适的cache block，如果当前cache block为脏，则说明此时其之前的数据与内存不一致，将之前的数据写入内存中。如果不为脏，并将新数据写入到该cache block中，之后再将该cache block标记为脏。

Cache一致性问题

一致性问题

由于L1/L2 Cache都是每个core独有的，当我们在多核机器上运行程序时，就必须要考虑Cache一致性的问题。

下面以一个2核的机器举例子，假设两个core同时运行着两个不同的线程，此时它们都在操作变量i：

1. 线程1执行i++，此时考虑到性能其使用的是写回的策略，在修改后仅将Cache标记为脏而没有写回内存中。
2. 此时线程2读取内存，其读取到的则是i++执行之前的旧数据，此时就出现了Cache数据不一致的问题。

如果要想确保多个core中的cache的数据能够一致，就必须要实现以下两点

1. 写传播：某个core里的cache数据更新时，必须要传播到其他core的cache中，确保数据一致。
2. 事务串行化：某个core里对数据执行的操作，在其他core看起来必须是顺序一样的。

写传播即同步修改的数据，这个很容易就可以理解，但是为什么要保证事务串行化呢？下面我举一个例子：

1. 假设当前的机器为四核，它们同时操作变量i，此时core1将变量的值修改为5，core2同时将变量的值修改为10。

2. 此时这两个修改都会同步到core3和core4中，如果不保证传播的顺序性，此时就会出现问题

3. 如果core3先执行core1在执行core2的同步，此时它最终的结果是10

4. 如果core4先执行core2的同步在执行core1，此时它的结果是5。这时候就出现cache不一致的情况了。

因此，为了确保数据一致性，我们就必须要让core3和core4看到相同的顺序变化，执行相同的同步逻辑，这也就是事务串行化的主要工作。

如果要想实现事务的串行化，就必须要实现以下内容

• CPU core对于Cache中数据的写操作，需要传播给其他CPU core；
• 如果两个 CPU 核心里有相同数据的 Cache，那么对于这个 Cache 数据的更新，只有拿到了「锁」，才能进行对应的数据更新（确保顺序执行）。

而总线嗅探和MESI协议，刚好满足我们的需求。

总线嗅探

要想实现写传播，最常见的方法就是总线嗅探——所有core时刻监听总线上的一切活动，一旦有某个core执行了写操作，此时其就会通过总线将该事件广播给所有core，每个core接收到后就会检查自己的L1 Cache中是否有数据，如果有则将数据更新过来，确保数据同步。

不难看出，总线嗅探只保证了某个core中cache的数据更新能被其他core感知到，但并没有办法保证事务的串行化。于是为了实现事务的串行化，降低总线的带宽压力，大佬们基于状态机和总线嗅探实现了MESI协议。

MESI协议

MESI协议是基于Invalidate的高速缓存一致性协议，并且是支持回写高速缓存的最常用协议之一。其主要包含以下四种状态：

1. Modified（已修改）：该数据只存在当前core的Cache中，但是数据已经被修改，此时Cache Block的数据有效但与内存中不一致。
2. Exclusive（独占）：该数据只存在当前core的Cache中，且Cache Block的数据有效且与内存中保持一致。
3. Shared（共享）：该数据存在多个core的Cache中，且Cache Block的数据有效且与内存中保持一致。
4. Invalidated（已失效）：该数据无效。

为了方便理解，下面举一个例子来说明状态之间转移的过程，假设我们的CPU有2个core

1. 1号core从内存中读取数据，此时数据缓存到1号core的cache中，此时其为独占状态。
2. 2号core从内存中读取数据，缓存到自己的cache中，由于已经有其他core也缓存了该数据，此时其为共享状态。
3. 当1号core对数据进行修改时，此时由于状态是共享，它首先会向所有core广播一个请求，让其他缓存该数据的cache将状态修改为已失效，之后再进行数据修改，修改后将状态置为已修改。
4. 由于修改后的数据只有当前一个core独占，因此我们对已修改状态的数据再次修改，不会影响其他core，直接修改数据即可。
5. 当我们cache满了之后，需要替换新的数据进来，此时就会将被替换的已修改状态的数据写入内存中，确保修改生效。

具体的状态转移过程可以参考下面的图表

状态转移图

状态转移表