cache的作用
隨着現代半導體工藝的發展，CPU的頻率越來遠快，相對內存快了一個數量級，對於訪存的操作CPU就需要等待主存，這樣會導致資源的白白浪費。所以cache的出現是爲了解決CPU與內存速度不匹配的問題。
cache的思想在我們日常的生活隨處可見，我們周圍的便利店就是個很好的例子。工廠把我們日常用品部分存儲在便利店，省掉了直接從工廠購買所需要的時間開銷，方便了我們的生活。
cache 的工作原理是基於“局部性”原理，它包含以下兩個方面：
時間局部性：如果某個數據被訪問，那麼不久將來它很可能再次被訪問。
空間局部性：如果某個數據被訪問，那麼與它相鄰的數據也可能被訪問。
現在的多核CPU的緩存一般都到了3級
這裏寫圖片描述
cache中保存着cpu剛用過的數據或者是循環使用的數據，這時，從cache中讀取數據就會很快，減少了cpu等待的時間，提高了系統的性能。
cache帶來的問題
cache 給系統帶來性能上飛躍的同時，也引入了新的問題“緩存一致性問題”。設想如下場景（cpu一共有兩個核，core1和core2）：
以i++爲例，i的初始值是0.那麼在開始每個核都存儲了i的值0，當第core1塊做i++的時候，其緩存中的值變成了1，即使馬上回寫到主內存，那麼在回寫之後core2緩存中的i值依然是0，其執行i++，回寫到內存就會覆蓋第一塊內核的操作，使得最終的結果是1，而不是預期中的2。
緩存一致性
爲了達到數據訪問的一致，需要各個處理器在訪問緩存時遵循一些協議，在讀寫時根據協議來操作，常見的協議有MSI，MESI，MOSI等。我們介紹其中最經典的MESI協議。
在MESI協議中，每個cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：
狀態 描述
M(Modified) 這行數據有效，數據被修改了，和內存中的數據不一致，數據只存在於本Cache中。
E(Exclusive) 這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據只存在於本Cache中。
S(Shared) 這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據存在於很多Cache中。
I(Invalid) 這行數據無效
E狀態：
這裏寫圖片描述
只有Core 0訪問變量x，它的Cache line狀態爲E(Exclusive)。
S狀態：
這裏寫圖片描述
3個Core都訪問變量x，它們對應的Cache line爲S(Shared)狀態。
M狀態和I狀態：
這裏寫圖片描述
Core 0修改了x的值之後，這個Cache line變成了M(Modified)狀態，其他Core對應的Cache line變成了I(Invalid)狀態。
協議時序圖：
在MESI協議中，每個Cache的Cache控制器不僅知道自己的讀寫操作，而且也監聽(snoop)其它Cache的讀寫操作。每個Cache line所處的狀態根據本核和其它核的讀寫操作在4個狀態間進行遷移。
這裏寫圖片描述
在上圖中，Local Read表示本內核讀本Cache中的值，Local Write表示本內核寫本Cache中的值，Remote Read表示其它內核讀其它Cache中的值，Remote Write表示其它內核寫其它Cache中的值，箭頭表示本Cache line狀態的遷移，環形箭頭表示狀態不變。
MESI狀態之間的遷移過程
當前狀態 事件 行爲 下一個狀態
I(Invalid) Local Read 如果其它Cache沒有這份數據，本Cache從內存中取數據，Cache line狀態變成E； 如果其它Cache有這份數據，且狀態爲M，則將數據更新到內存，本Cache再從內存中取數據，2個Cache 的Cache line狀態都變成S； 如果其它Cache有這份數據，且狀態爲S或者E，本Cache從內存中取數據，這些Cache 的Cache line狀態都變成S E/S
Local Write 從內存中取數據，在Cache中修改，狀態變成M； 如果其它Cache有這份數據，且狀態爲M，則要先將數據更新到內存； 如果其它Cache有這份數據，則其它Cache的Cache line狀態變成I M
Remote Read 既然是Invalid，別的核的操作與它無關 I
Remote Write 既然是Invalid，別的核的操作與它無關 I
E(Exclusive) Local Read 從Cache中取數據，狀態不變 E
Local Write 修改Cache中的數據，狀態變成M M
Remote Read 數據和其它核共用，狀態變成了S S
Remote Write 數據被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I I
S(Shared) Local Read 從Cache中取數據，狀態不變 S
Local Write 修改Cache中的數據，狀態變成M， 其它核共享的Cache line狀態變成I M
Remote Read 狀態不變 S
Remote Write 數據被修改，本Cache line不能再使用，狀態變成I I
M(Modified) Local Read 從Cache中取數據，狀態不變 M
Local Write 修改Cache中的數據，狀態不變 M
Remote Read 這行數據被寫到內存中，使其它核能使用到最新的數據，狀態變成S S
Remote Write 這行數據被寫到內存中，使其它核能使用到最新的數據，由於其它核會修改這行數據， 狀態變成I I
參考資料