【GPT-4】MESI协议总结

MESI 协议是一种用于管理多处理器系统中的缓存一致性的协议。MESI 是 Modified、Exclusive、Shared 和 Invalid 四个状态的首字母缩写。每个缓存行可以处于这四个状态之一，每个状态都对应着该缓存行在各个处理器的缓存中的分布情况。以下是这四个状态的含义：

MESI（4个状态）

1. Modified（修改）：当前的缓存行已被修改，并且这个处理器拥有该缓存行的唯一一份有效副本。如果其他处理器需要访问这个缓存行，所有权必须转移给请求的处理器。
2. Exclusive（独占）：当前的缓存行在这个处理器中有效，并且在其他所有处理器中都无效。但是，当前的缓存行尚未被修改。如果这个处理器写入该缓存行，它将转变为 Modified 状态。
3. Shared（共享）：这个缓存行可能在多个处理器的缓存中都有效，但都没有被修改。如果一个处理器想要写入这个缓存行，它必须首先将这个缓存行从所有其他的处理器中置为 Invalid 状态。
4. Invalid（无效）：这个缓存行在当前的处理器中无效。如果处理器想要读取或写入这个缓存行，它必须首先获取所有权。

读取+写入（8种情况）

在MESI协议中，读取和写入的操作会影响缓存行的状态，以下是具体的情况：

读取（Read）:

• M（Modified）：如果缓存行已在M状态，那么处理器可以直接读取，无需向其他处理器发送信号。
• E（Exclusive）：如果缓存行在E状态，处理器也可以直接读取，无需向其他处理器发送信号。
• S（Shared）：在S状态下，处理器可以直接读取，无需向其他处理器发送信号。
• I（Invalid）：如果缓存行在I状态，处理器不能直接读取，必须先从其他处理器或主存中获取数据。这会触发一个读取失效（Read Miss）操作，处理器需要向其他处理器发出读取请求。如果其他缓存中有共享的数据，那么数据会被发送给请求的处理器并将该缓存行状态改为S，否则从主存中获取数据并将状态改为E。

写入（Write）:

• M（Modified）：在M状态下，处理器可以直接写入，无需向其他处理器发送信号。
• E（Exclusive）：在E状态下，处理器可以直接写入，但是需要将状态改为M，无需向其他处理器发送信号。
• S（Shared）：在S状态下，处理器不能直接写入，必须先将其他处理器中的该缓存行置为无效。这会触发一个写入失效（Write Miss）操作，处理器需要向其他处理器发出失效（Invalidate）请求，并将自己的缓存行状态改为M。
• I（Invalid）：在I状态下，处理器不能直接写入，必须先从其他处理器或主存中获取数据。这同样会触发一个写入失效操作，处理器需要向其他处理器发出读取请求。如果其他缓存中有共享的数据，那么数据会被发送给请求的处理器并将该缓存行状态改为M，并向其他处理器发出失效请求，否则从主存中获取数据并将状态改为M。

一个例子

让我们通过一个例子来看看这些状态是如何变化的。在这里，我们将使用 'M' 来表示 Modified 状态，'E' 表示 Exclusive 状态，'S' 表示 Shared 状态，而 'I' 表示 Invalid 状态。

1. 初始状态：所有处理器的缓存行都处于 Invalid 状态。
2. 处理器 A 读取操作：A 读取这个缓存行，状态变为 Exclusive。
3. 处理器 B 读取操作：B 也读取这个缓存行，A 和 B 的状态都变为 Shared。
4. 处理器 A 写入操作：A 写入这个缓存行，将自己的状态变为 Modified，其他所有处理器的状态变为 Invalid。
5. 处理器 C 写入操作：C 写入这个缓存行，将自己的状态变为 Modified，其他所有处理器的状态变为 Invalid。
6. 处理器 D 读取操作：D 读取这个缓存行，C 和 D 的状态都变为 Shared。
7. 处理器 D 写入操作：D 写入这个缓存行，将自己的状态变为 Modified，其他所有处理器的状态变为 Invalid。
8. 处理器 D 置换操作：D 的这个缓存行被置换出去，写回内存，D 的状态变为 Invalid。

这就是处理器 A、B、C 和 D 在执行读取和写入操作时，这个缓存行在各个处理器中的状态如何变化的。