MESI 缓存一致性协议

多核场景下，仅仅依靠CAS这一类硬件原语并不能实现同步，因为原子指令底层实现也可能包含多条微指令，而原子指令的原子性是相对于一个核而言的，多条原子指令在各自的CPU核上都是原子执行的。所以要解决这个问题就要先将总线锁住。例如在Go中Mutex的实现，在执行CMPXCHGL指令直线先LOCK总线。锁住总线就导致程序由并行变为串行，这必然会影响性能，现代CPU都拥有高速缓存，不再通过锁总线的方式实现多核间的同步，为了保证多核间高速缓存的一致性，引入了高速缓存一致性协议（MESI协议）。

单核CPU的cache中每个cache line有2个标志：dirty、valid标识，表示cache中的数据是否被修改、是否有效。而在多个核中每个CPU都有自己对应的cache，多个核共享内存中的数据，MESI协议就描述了数据的共享状态，分别是：

状态	描述
M（Modified）	该行数据有效、被修改，和内存中的数据不一致，该数据只存在于本Cache中。
E（Exclusive）	该行数据有效、和内存中的数据一致，该数据只存在于本Cache中。
S（Shared）	该行数据有效，和内存中的数据一致，该数据存在于多个Cache中。
I（Invalid）	该行数据无效。

M与E的共同点是：都是本Cache所独有的；不同点是：M表示Cache中的数据与内存中的数据不一致。

在MESI协议中，每个Cache的Cache控制器不仅要知道自己的读写操作，还要监听其他Cache的读写操作（监听总线）。

状态变化如下，其中Local Read/Write表示对本CPU Cache的读写操作，Remote Read/Write表示其他CPU对自己Cache的读写操作。

当前状态	事件	行为	下一个状态
I（Invalid）	Local Read	如果其它Cache没有这份数据，本Cache从内存中取数据，Cache line状态变成E；如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中取数据，2个Cache 的Cache line状态都变成S；如果其它Cache有这份数据，且状态为S或者E，本Cache从内存中取数据，这些Cache 的Cache line状态都变成S	E/S
I（Invalid）	Local Write	如果其它Cache没有这份数据，本Cache从内存中取数据并修改，Cache line状态变成M；如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则要先将数据更新到内存，读取并修改，其他Cache的Cache line状态变为I；	M/I
I（Invalid）	Remote Read	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
I（Invalid）	Remote Write	既然是Invalid，别的核的操作与它无关	I
E（Exclusive）	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	E
E（Exclusive）	Local Write	写入Cache，状态变为M	M
E（Exclusive）	Remote Read	数据和其它核共用，状态变成了S	S
E（Exclusive）	Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变成I	I
S（Shared）	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	S
S（Shared）	Local Write	修改Cache中的数据，状态变成M，其它核共享的Cache line状态变成I	M
S（Shared）	Remote Read	状态不变	S
S（Shared）	Remote Write	数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变为I	I
M（Modified）	Local Read	从Cache中取数据，状态不变	M
M（Modified）	Local Write	修改Cache中的数据，状态不变	M
M（Modified）	Remote Read	写会内存，使其它核能使用到最新的数据，状态变为S	S
M（Modified）	Remote Write	写会内存，使其它核能使用到最新的数据，数据被修改，本Cache line不能再使用，状态变为I	I