【操作系统笔记十】缓存一致性

CPU 核心之间数据如何传播

高速缓存中的值被修改了，那么怎么同步到内存中呢？

• ① 写直达（Write-Through）
• ② 写回（Write-Back）

写直达（Write-Through） 简单，但是很慢，每次写都需要经过 内存总线

写回（Write-Back）：尽可能推迟更新，只有当替换算法要驱逐这个更新过的缓存块时，才把它写回到内存中。由于局部性，写回能显著地减少总线流量，但是它的缺点是复杂。

写传播（Write Propagation）

写传播是说，在一个 CPU 核心里，我们的 Cache 数据更新，必须能够传播到其他的对应核心节点的 Cache Line 里。

事务的串行化（Transaction Serialization）

事务串行化是说，我们在一个 CPU 核心里面的写入顺序，在其他的核心节点看起来，顺序是一样的。

CPU 核心之间数据传播的两种方式

• ① 写失效（Write Invalidate）
• ② 写广播（Write Broadcast）

写失效（Write Invalidate）：只有一个 CPU 核心负责写入数据，其他的核心对应缓存行失效，需要这个数据的时候，才同步读取到这个写入。

写广播（Write Broadcast）：一个写入请求广播到所有的 CPU 核心，同时更新各个核心里的 Cache。

写失效 VS 写广播

• ① 写广播在实现上自然很简单，但是写广播需要占用更多的总线带宽

• ② 写失效只需要告诉其他的 CPU 核心，哪一个内存地址的缓存失效了，但是写广播还需要把对应的数据传输给其他 CPU 核心。

各种缓存请求

处理器向高速缓存发出的请求包括：

• PrRd：处理器请求读取一个缓存块。
• PrWr：处理器请求改写一个缓存块。

总线方面的请求：

• BusRd：当处理器的请求缓存的读操作出现未命中，它会向总线发送一个BusRd请求
• BusRdX：当处理器请求缓存的写操作出现未命中，它会向总线发送一个BusRdX请求
• BusUpgr：当处理器请求缓存的写操作命中时，它它会向总线发送一个BusUpgr
• Flush：该请求表明一个缓存块正在被写回内存

MSI协议和MESI协议

MSI协议

MESI 协议

MESI 协议通过引入 E 状态，来减少没有用的总线事务

E：独占状态（Exclusive）

缓存行只在当前缓存中，但是干净的（clean） —— 缓存数据同于主存数据。当别的缓存读取它时，状态变为共享；当前写数据时，变为已修改状态。

MESI 属于硬件级别的协议

不管是信号的发送、传输、总线仲裁、缓存行的修改等都属于硬件级别的。所谓的硬件，本质上就是一堆电子电路而已。也就是说一般的话，CPU 高速缓存的一致性是由硬件保证的。不同的架构的CPU，提供不同的缓存一致性协议。MESI 是属于经典的，常用的缓存一致性协议，其他很多协议都是在 MESI 基础之上的优化。

内存屏障

写内存屏障 - Store Memory Barrier

屏障之后的写操作必须等待屏障之前的写操作完成才可以执行。

引入 Store Buffer 的目的：提升 CPU 写操作的性能，导致 Store Buffer 与高速缓存中的数据不一致，CPU 每次先从 Store Buffer 读数据，没有的话再去高速缓存，可以解决数据不一致问题，但是解决不了 Memory Ordering 引起的问题 （内存访问顺序和程序设置的顺序不一致）。

读内存屏障

CPU 执行的任何的 load 操作都需要等到失效队列中所有标记信息完成对 cacheline 的操作之后才能进行。

内存屏障总结

• 写内存屏障：解决 CPU 写操作乱序问题，或者叫存储 （Store） 操作乱序问题

• 读内存屏障：解决 CPU 读操作乱序问题，或者叫加载（Load） 操作乱序问题

内存屏障 （memory barriar） 指令

• 写内存屏障：smp_wmb() 汇编指令：sfence （x86 ）
• 读内存屏障：smp_rmb() 汇编指令：lfence （x86 ）
• 读写内存屏障：smp_mb() 汇编指令：mfence （x86 ）

屏障之前的读 / 写操作必须在屏障之后的读 / 写操作之前被执行。

锁内存总线

lock 前缀的底层实现

• 在多处理器下，为了保证一些操作的原子性，需要在这些操作前加上lock，比如：lock addl ....， lock cmpxchg，lock inc ....

锁内存总线的缺点：其他处理器不能访问其他的内存地址中的数据了，所以锁内存总线的开销挺大的。

锁缓存行

总结

• Memory Ordering 问题：内存访问顺序和程序设置顺序不一致（指令重排序）

• 写内存屏障：解决 CPU 写操作乱序，或者叫存储（Store）操作乱序问题，屏障之后的写操作必须等屏障之前的写操作完成之后才可以执行

• 读内存屏障：解决 CPU 读操作乱序，或者叫加载（Load）操作乱序问题，屏障之后的读操作必须等屏障之前的读操作完成之后才可以执行

• 底层汇编指令前面加 lock 前缀可以起到内存屏障的作用，带有 lock 前缀的指令是原子操作

• lock 在底层的实现原理是让某个 CPU 核心“锁定”内存总线，从而独占共享内存，但是此时其他 CPU 核心就不能访问内存数据了，所以锁内存总线的开销是很大的

• MESI 协议是锁缓存行的协议，它从硬件层面保证缓存行的数据一致，无需锁内存总线，锁缓存行比锁内存总线的开销小