多线程编程，CPU是如果解决多线程内存访问问题的

Posted 2020-12-27 gool

CPU对内存变量的修改是先读取内存数据到CPU Cache中，然后再由CPU做运算，运算完成后继续写入到内存中

 

 

 

 

 

在单核CPU中，这完全没有问题，然而在多核CPU中，每一个CPU核心都拥有自己独立的Cache

此时同时访问同一个内存地址时，将会把内存值复制到多个CPU的Cache中

此时如果对Cache中的值进行修改数据就将会不一致，写入到内存时，内存中的数据就将会达不到预期值

 

 

 

 

为了解决这一个问题，早期CPU中，采用了总线LOCK的办法，某个CPU要对内存操作的时候，总线进行LOCK，直到操作完成再UNLOCK

总线包含了许多设备的控制，LOCK将会大大降低资源处理的速度，于是intel提出了MESI协议

 

 

intel自从奔腾之后就开始引入MESI协议，目前许多CPU都在使用该协议的变种

MESI中，一个Cache被称为Row，不同CPU Cache中同一个内存地址的副本，他们的row都是相同的

 

Row有4种状态，他们分别是

 

状态	描述
M(Modified)	这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。
E(Exclusive)	这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中。
S(Shared)	这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多Cache中。
I(Invalid)	这行数据无效。

 

 

 

Exclusive独占

 

M修改状态

 

 

每个CPU在读写自己的Cache row的同时，也会监听其他CPU的Cache row

 

当只有一个CPU拥有内存副本时，设置为E(Exclusive)状态

当第二个CPU读取内存副本时，设置为S(Shared)状态

当其他CPU修改内存副本时，设置为I(Invalid)状态

当前CPU修改内存副本时，设置为M(Modified)状态

 

每个CPU Cache row都有自己的一个状态

 

MESI状态之间的迁移过程如下：

当前状态	事件	行为	下一个状态
I(Invalid)	Local Read	如果其它Cache没有这份数据，本Cache从内存中取数据，Cache line状态变成E； 如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中取数据，2个Cache 的Cache line状态都变成S； 如果其它Cache有这份数据，且状态为S或者E，本Cache从内存中取数据，这些Cache 的Cache line状态都变成S	E/S
	Local Write	从内存中取数据，在Cache中修改，状态变成M； 如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则要先将数据更新到内存； 如果其它Cache有这份数据，则其它Cache的Cache line状态变成I	M
	Remote Read	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
	Remote Write	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
E(Exclusive)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	E
	Local Write	修改Cache中的数据，状态变成M	M
	Remote Read	数据和其它核共用，状态变成了S	S
	Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I	I
S(Shared)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	S
	Local Write	修改Cache中的数据，状态变成M， 其它核共享的Cache line状态变成I	M
	Remote Read	状态不变	S
	Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I	I
M(Modified)	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	M
	Local Write	修改Cache中的数据，状态不变	M
	Remote Read	这行数据被写到内存中，使其它核能使用到最新的数据，状态变成S	S
	Remote Write	这行数据被写到内存中，使其它核能使用到最新的数据，由于其它核会修改这行数据， 状态变成I	I