MESI Protocol

介绍

MESI协议是一种广泛使用的缓存一致性协议，用于确保多核处理器系统中各个核心的缓存数据保持一致。它通过四种状态（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）和总线嗅探机制，管理缓存行的状态转换，从而避免数据不一致问题。
模拟MESI协议的网址

状态解析

M - Modified表示该数据已被更改，此时缓存内的数据与内存中不一致
E - Exclusive表示该数据仅被当前缓存包含，其他缓存并不包含
S - Shared表示该数据被多个缓存共享。
I - Invalid表示当前缓存中的数据无效

总线嗅探机制

消息类型	请求/响应	消息描述
Read	请求	通知其他处理器将要读某个地址，该消息包含数据的地址
Read Response	响应	该消息内包含了被请求读取的数据。该消息可能是主内存返回的，也可能是其他高速缓存嗅探到Read 消息返回的
Invalid	请求	通知其他处理器删除指定内存地址的数据副本
Invalidate Acknowledge	响应	接收到Invalidate消息的处理器必须回复此消息，表示已经删除了其高速缓存内对应的数据副本
Read Invalidate	请求	此消息为Read 和 Invalidate消息组成的复合消息，主要是用于通知其他处理器当前处理器准备更新一个数据了，并请求其他处理器删除其高速缓存内对应的数据副本。
WriteBack	响应	消息包含了需要写入内存的数据和其对应的内存地址

Read Invalidate执行过程

总线嗅探（Bus Snooping）中的 Read Invalidate（读-无效）消息 是MESI协议中用于强制获取数据独占权的一种关键总线事务。它的核心目的是允许某个缓存核心在修改数据前，同时完成两个操作：Read(确保拥有最新值) 和 Invalidate(确保独占写入权)

触发条件

当一个核心（例如Core A）需要对某个缓存行执行写入操作，但当前本地缓存的状态可能是Invalid和Shared两种状态，此时，CoreA需通过总线发送 Read Invalidate 消息，以达成以下目标：

• 获取最新数据（若其他核心的缓存中存在Modified状态数据）；
• 其他所有缓存中该缓存行的状态必须变为Invalid（失去使用权）。

执行流程

假设Core A需要写入地址X的数据，其本地缓存的X行状态为Shared或Invalid：

1. 发送Read Invalidate消息
2. 总线监听（Snooping）
   所有其他核心（如Core B/C/D）监听总线，接收到这个消息后，检查自身是否有地址X的缓存行：
   • 若有Modified状态：
     持有Modified状态的Core（例如Core B）需要将数据写回主存（或直接传给Core A），然后将自身缓存行状态降为Invalid。
   • 若有Shared或Exclusive状态：
     直接将该缓存行标记为Invalid（无需写回主存）。
3. Core A接收数据：
   • 如果某个核心（如Core B）响应并提供了最新的Modified数据，Core A将数据载入缓存。
   • 如果无核心响应，Core A从主存读取数据。
4. 更新状态
   Core A将缓存行置为Modified（独占且可修改），其他所有核心对该行的状态均为Invalid。

与普通Read的区别

• 普通Read请求： 仅请求数据，缓存行进入Shared或Exclusive状态，允许其他核心继续共享。
• Read Invalidate： 请求数据的同时强制其他核心的副本失效，保证请求者后续的写入操作可直接进行，而无需再次协调其他缓存。