01-CPU缓存一直性问题1
CPU Cache 的数据写⼊
随着时间的推移，CPU 和内存的访问性能相差越来越⼤，于是就在 CPU 内部嵌⼊了 CPU Cache（⾼速缓 存），CPU Cache 离 CPU 核⼼相当近，因此它的访问速度是很快的，于是它充当了 CPU 与内存之间的 缓存⻆⾊。
CPU Cache 通常分为三级缓存：L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，级别越低的离 CPU 核⼼越近，访问 速度也快，但是存储容量相对就会越⼩。其中，在多核⼼的 CPU ⾥，每个核⼼都有各⾃的 L1/L2 Cache， ⽽ L3 Cache 是所有核⼼共享使⽤的。
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问题
数据不光是只有读操作，还有写操作，那么如果数据写⼊ Cache 之后，内存与 Cache 相对应的 数据将会不同，这种情况下 Cache 和内存数据都不⼀致了，于是我们肯定是要把 Cache 中的数据同步到 内存⾥的。
策略
- 写直达（Write Through）
- 写回（Write Back）
写直达
保持内存与 Cache ⼀致性最简单的⽅式是，把数据同时写⼊内存和 Cache 中，这种⽅法称为写直达 （Write Through）。
在这个⽅法⾥，写⼊前会先判断数据是否已经在 CPU Cache ⾥⾯了：
- 如果数据已经在 Cache ⾥⾯，先将数据更新到 Cache ⾥⾯，再写⼊到内存⾥⾯；
- 如果数据没有在 Cache ⾥⾯，就直接把数据更新到内存⾥⾯。
写直达法很直观，也很简单，但是问题明显，⽆论数据在不在 Cache ⾥⾯，每次写操作都会写回到内存， 这样写操作将会花费⼤量的时间，⽆疑性能会受到很⼤的影响
写回
在写回机制中，当发⽣写操作时，新的数据仅仅被写⼊ Cache Block ⾥，只有当修改过的 Cache Block 「被替换」时才需要写到内存中，减少了数据写回内存的频率，这样便可以提⾼系统的性能。
- 如果当发⽣写操作时，数据已经在 CPU Cache ⾥的话，则把数据更新到 CPU Cache ⾥，同时标记 CPU Cache ⾥的这个 Cache Block 为脏（Dirty）的，这个脏的标记代表这个时候，我们 CPU Cache ⾥⾯的这个 Cache Block 的数据和内存是不⼀致的，这种情况是不⽤把数据写到内存⾥的；
- 如果当发⽣写操作时，数据所对应的 Cache Block ⾥存放的是「别的内存地址的数据」的话，就要检 查这个 Cache Block ⾥的数据有没有被标记为脏的，如果是脏的话，我们就要把这个 Cache Block ⾥的数据写回到内存，然后再把当前要写⼊的数据，写⼊到这个 Cache Block ⾥，同时也把它标记为 脏的；如果 Cache Block ⾥⾯的数据没有被标记为脏，则就直接将数据写⼊到这个 Cache Block ⾥，然后再把这个 Cache Block 标记为脏的就好了
可以发现写回这个⽅法，在把数据写⼊到 Cache 的时候，只有在缓存不命中，同时数据对应的 Cache 中 的 Cache Block 为脏标记的情况下，才会将数据写到内存中，⽽在缓存命中的情况下，则在写⼊后 Cache 后，只需把该数据对应的 Cache Block 标记为脏即可，⽽不⽤写到内存⾥。
缓存一致性问题
现在 CPU 都是多核的，由于 L1/L2 Cache 是多个核⼼各⾃独有的，那么会带来多核⼼的缓存⼀致性 （Cache Coherence） 的问题，如果不能保证缓存⼀致性的问题，就可能造成结果错误
问题
这时如果 A 号核⼼执⾏了 i++ 语句的时候，为了考虑性能，使⽤了我们前⾯所说的写回策略，先把值为 1 的执⾏结果写⼊到 L1/L2 Cache 中，然后把 L1/L2 Cache 中对应的 Block 标记为脏的，这个时候数据 其实没有被同步到内存中的，因为写回策略，只有在 A 号核⼼中的这个 Cache Block 要被替换的时候，数据才会写⼊到内存⾥。
如果这时旁边的 B 号核⼼尝试从内存读取 i 变量的值，则读到的将会是错误的值，因为刚才 A 号核⼼更新 i 值还没写⼊到内存中，内存中的值还依然是 0。这个就是所谓的缓存⼀致性问题，A 号核⼼和 B 号核⼼的 缓存，在这个时候是不⼀致，从⽽会导致执⾏结果的错误
策略
那么，要解决这⼀问题，就需要⼀种机制，来同步两个不同核⼼⾥⾯的缓存数据。要实现的这个机制的 话，要保证做到下⾯这 2 点：
第⼀点，某个 CPU 核⼼⾥的 Cache 数据更新时，必须要传播到其他核⼼的 Cache，这个称为写传播 （Wreite Propagation）；
第⼆点，某个 CPU 核⼼⾥对数据的操作顺序，必须在其他核⼼看起来顺序是⼀样的，这个称为事务 的串形化（Transaction Serialization）
要实现事务串形化，要做到 2 点：
CPU 核⼼对于 Cache 中数据的操作，需要同步给其他 CPU 核⼼；
要引⼊「锁」的概念，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。
总线嗅探
写传播的原则就是当某个 CPU 核⼼更新了 Cache 中的数据，要把该事件⼴播通知到其他核⼼。最常⻅实 现的⽅式是总线嗅探（Bus Snooping）
我还是以前⾯的 i 变量例⼦来说明总线嗅探的⼯作机制，当 A 号 CPU 核⼼修改了 L1 Cache 中 i 变量的 值，通过总线把这个事件⼴播通知给其他所有的核⼼，然后每个 CPU 核⼼都会监听总线上的⼴播事件，并 检查是否有相同的数据在⾃⼰的 L1 Cache ⾥⾯，如果 B 号 CPU 核⼼的 L1 Cache 中有该数据，那么也需 要把该数据更新到⾃⼰的 L1 Cache。
可以发现，总线嗅探⽅法很简单， CPU 需要每时每刻监听总线上的⼀切活动，但是不管别的核⼼的 Cache 是否缓存相同的数据，都需要发出⼀个⼴播事件，这⽆疑会加重总线的负载。
另外，总线嗅探只是保证了某个 CPU 核⼼的 Cache 更新数据这个事件能被其他 CPU 核⼼知道，但是并 不能保证事务串形化
于是，有⼀个协议基于总线嗅探机制实现了事务串形化，也⽤状态机机制降低了总线带宽压⼒，这个协议 就是 MESI 协议，这个协议就做到了 CPU 缓存⼀致性。
MESI协议
MESI 协议其实是 4 个状态单词的开头字⺟缩写，分别是：
- Modified，已修改
- Exclusive，独占
- Shared，共享
- Invalidated，已失效
这四个状态来标记 Cache Line 四个不同的状态。
「已修改」状态就是我们前⾯提到的脏标记，代表该 Cache Block 上的数据已经被更新过，但是还没有写 到内存⾥。⽽「已失效」状态，表示的是这个 Cache Block ⾥的数据已经失效了，不可以读取该状态的数 据。
「独占」和「共享」状态都代表 Cache Block ⾥的数据是⼲净的，也就是说，这个时候 Cache Block ⾥的 数据和内存⾥⾯的数据是⼀致性的。
「独占」和「共享」的差别在于，独占状态的时候，数据只存储在⼀个 CPU 核⼼的 Cache ⾥，⽽其他 CPU 核⼼的 Cache 没有该数据。这个时候，如果要向独占的 Cache 写数据，就可以直接⾃由地写⼊，⽽ 不需要通知其他 CPU 核⼼，因为只有你这有这个数据，就不存在缓存⼀致性的问题了，于是就可以随便操 作该数据。
另外，在「独占」状态下的数据，如果有其他核⼼从内存读取了相同的数据到各⾃的 Cache ，那么这个时 候，独占状态下的数据就会变成共享状态。
那么，「共享」状态代表着相同的数据在多个 CPU 核⼼的 Cache ⾥都有，所以当我们要更新 Cache ⾥⾯ 的数据的时候，不能直接修改，⽽是要先向所有的其他 CPU 核⼼⼴播⼀个请求，要求先把其他核⼼的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「⽆效」状态，然后再更新当前 Cache ⾥⾯的数据。
我们举个具体的例⼦来看看这四个状态的转换：
- 当 A 号 CPU 核⼼从内存读取变量 i 的值，数据被缓存在 A 号 CPU 核⼼⾃⼰的 Cache ⾥⾯，此时其 他 CPU 核⼼的 Cache 没有缓存该数据，于是标记 Cache Line 状态为「独占」，此时其 Cache 中的 数据与内存是⼀致的；
- 然后 B 号 CPU 核⼼也从内存读取了变量 i 的值，此时会发送消息给其他 CPU 核⼼，由于 A 号 CPU 核⼼已经缓存了该数据，所以会把数据返回给 B 号 CPU 核⼼。在这个时候， A 和 B 核⼼缓存了相同 的数据，Cache Line 的状态就会变成「共享」，并且其 Cache 中的数据与内存也是⼀致的；
- 当 A 号 CPU 核⼼要修改 Cache 中 i 变量的值，发现数据对应的 Cache Line 的状态是共享状态，则 要向所有的其他 CPU 核⼼⼴播⼀个请求，要求先把其他核⼼的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为 「⽆效」状态，然后 A 号 CPU 核⼼才更新 Cache ⾥⾯的数据，同时标记 Cache Line 为「已修改」 状态，此时 Cache 中的数据就与内存不⼀致了。
- 如果 A 号 CPU 核⼼「继续」修改 Cache 中 i 变量的值，由于此时的 Cache Line 是「已修改」状 态，因此不需要给其他 CPU 核⼼发送消息，直接更新数据即可。
- 如果 A 号 CPU 核⼼的 Cache ⾥的 i 变量对应的 Cache Line 要被「替换」，发现 Cache Line 状态 是「已修改」状态，就会在替换前先把数据同步到内存。
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5. 如果 A 号 CPU 核⼼的 Cache ⾥的 i 变量对应的 Cache Line 要被「替换」，发现 Cache Line 状态 是「已修改」状态，就会在替换前先把数据同步到内存。