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缓存一致性是指多处理器或多核系统中存储在不同缓存中的数据的协调性和同步性。在这样的系统中，每个处理器或核心通常都有自己的缓存内存来提高性能。缓存内存通过提供对常用数据的快速访问，在计算机架构中发挥着至关重要的作用。然而，维持这些私有缓存之间的数据一致性可能具有挑战性，从而导致缓存一致性问题。
缓存一致性确保所有处理器都观察到共享内存的一致视图，防止数据不一致，确保可靠的程序执行。当多个缓存存储同一份数据的副本时，并且一个缓存所做的修改需要传播到其他缓存时，就会出现缓存一致性问题。无法维持缓存一致性会导致数据损坏和程序行为不正确。
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缓存器在现代计算机体系结构中发挥着至关重要的作用。它是一种小型高速存储器，用于存储频繁访问的数据和指令,与主存储器相比，速度更快。缓存器由高速缓存行组成，高速缓存行是固定大小的块，用于存储主存储器中存在的子集数据。
多个高速缓存存储相同数据的副本，因此会出现缓存一致性问题。当一个高速缓存修改高速缓存行时，它需要确保持有该高速缓存行的所有其他高速缓存都将更新或失效，以便维护高速缓存的一致性。高速缓存一致性协议通过协调高速缓存操作并确保系统中一致的数据访问来解决此问题。这将在下文的解决高速缓存一致性的方法标题中的章节中更详细地介绍。
高速缓存一致性协议是用来维持多处理器系统中高速缓存一致性的机制。这些协议规定了高速缓存如何通信并协调其操作以确保数据一致性。两种常用的高速缓存一致性协议是窥探总线协议和基于目录的协议。
窥探总线协议依赖于一个连接多处理器系统中所有高速缓存的共享总线。这些协议通过总线监控器存储器事务，并采用窥探逻辑来维持高速缓存的一致性。窥探总线协议中使用的两种流行策略是写无效策略和写更新策略。
1. 写无效策略：在写无效策略中，当高速缓存对共享存储器块执行写操作时，它会使其他高速缓存中该块的所有其他副本无效或标记为无效。当高速缓存想要读取存储器块时，它首先检查是否有任何其他高速缓存持有修改的副本。如果是，它将从具有最新副本的高速缓存或从主存储器请求更新的数据。
2. 写更新策略：在写更新策略中，当高速缓存对共享存储器块执行写操作时，它会更新其自身高速缓存中的值，并更新其他高速缓存中该块的所有其他副本。此方法减少了读取操作后续高速缓存到高速缓存传输的需要。但是，它需要更多的总线带宽才能向所有高速缓存广播更新。
窥探逻辑和广播消息：窥探总线协议依赖于在每个高速缓存控制器中实施的窥探逻辑。窥探逻辑监视总线事务以确定高速缓存的存储器块副本是否仍然有效，或是否需要使之无效或更新。当高速缓存执行写操作时，它会通过总线广播消息，以告知其他高速缓存此更改。具有窥探逻辑的高速缓存会相应地更新其副本。
基于目录的协议使用集中式目录来维护缓存一致性信息。该目录跟踪哪些缓存保留了每个内存块的副本，并管理访问和修改这些块的权限。基于目录的协议的两个主要特征是用于维护一致性和基于权限的数据共享的公共目录。
1. 用于维护一致性的公共目录：在基于目录的协议中，中央目录维护所有内存块的一致性信息。它跟踪哪些高速缓存有每个块的副本及其各自状态（例如，共享、修改）。高速缓存与目录通信以请求访问和修改内存块的权限。
2. 基于权限的数据共享：基于目录的协议通过权限管理数据共享。当高速缓存想要读取或写入内存块时，它会从目录请求权限。目录根据块的当前状态和正在使用的相干协议授予权限。高速缓存与目录协调以确保它们在对共享内存块执行操作之前具有所需的权限。
由于集中式目录，基于目录的协议通常会产生更高的开销。但是，与大规模多处理器系统中的窥探总线协议相比，它们可以提供更好的可伸缩性并减少总线争用。
通过结合窥探总线协议和基于目录的协议，可以在多处理器系统中有效维护高速缓存一致性。这些协议支持高速缓存的有效通信、协调和同步，确保整个系统的始终一致且可靠的数据访问。
高速缓存一致性协议采用不同的方法来解决高速缓存一致性问题。在每个处理器或内核都有自己高速缓存存储器的多处理器系统中，高速缓存一致性问题构成了挑战。存在存储相同数据副本的多个高速缓存需要协调来维持高速缓存一致性。高速缓存一致性协议通过定义状态、转换和高速缓存之间的通信机制来解决此问题。两种常见方法是基于失效的方法和基于更新的方法。在基于失效的方法中，当高速缓存修改共享内存块时，它将其他高速缓存中该块的副本置为无效或标记为无效。另一方面，基于更新的方法在高速缓存之间传播对共享内存块的更新，确保所有高速缓存都具有数据的最新版本。
在直写策略中，高速缓存执行的任何写操作都会同时更新高速缓存和主内存中。这种方法确保数据修改立即反映在主内存中，并使其与高速缓存副本保持一致。
1. 高速缓存和主内存的同时更新：使用直写时，当高速缓存写入内存块时，它会将更新同时传播到高速缓存和主内存。这保证了主内存始终保存最新数据。
2. 优点和缺点： 直写策略简化了缓存管理工作，因为无需追踪待后续后写的已修改模块。由于每个写操作都会更新高速缓存和主内存，因此它提供较强的一致性级别。但是，由于主内存的每个高速缓存写操作都有额外的写操作，所以它可能会造成更高的内存访问时延。在多处理器系统中，它还可能产生相当大的总线通信量，因为每个写操作都需要总线事务来更新高速缓存和主内存。
在写回策略中，最初只在高速缓存中进行修改。当高速缓存块被替换或逐出时，稍后将更新写入主内存。此延迟写策略通过在写入主内存之前对多个更新进行分组从而优化内存访问并减少总线通信量。
1. 只更新高速缓存，在块替换时更新主内存： 使用写回，高速缓存修改其高速缓存中的内存块。修改的数据保存在高速缓存中，直到高速缓存块被逐出或替换为止。发生这种情况时，将修改的数据写回主内存。
2. 优点和缺点： 与写透相比，写回提供了较低的内存访问时延，因为最初写入只在高速缓存中执行。这降低了主内存写入的频率，提高了性能。写回还会减少总线通信量，因为更新会累积并在高速缓存块替换期间分批写入内存中。但是，在写回发生之前，它引入了高速缓存和主内存之间数据不一致的风险。为了确保高速缓存之间的数据一致性，这可能需要额外的机制，如写入失效或一致性协议。
在写透和写回策略中进行选择取决于系统的特定要求和特性。写透在潜在时延和总线通信量的代价下提供了较强的稳定性。通过最大限度地减少内存写入，写回可提高性能，但需要将高速缓存与内存同步。
多处理系统可通过缓存一致性协议实施写透和写回策略，有效地管理数据修改，保持一致性，并基于每个策略的特定权衡和考量优化内存访问。
在多处理器系统中，缓存一致性协议对于确保数据一致性以及高速缓存之间的协调至关重要。让我们探讨一些广泛使用的缓存一致性协议及其关键功能。
1. 状态和转换： MSI 协议为高速缓存块定义了三种状态：已修改、共享和无效。已修改状态表明高速缓存块已被修改，不同于主内存。共享状态表示高速缓存块有效并且在不同高速缓存中有多个副本。无效状态表示高速缓存块无效或不存在于高速缓存中。
2. 处理修改过的数据和共享数据：在 MSI 协议中，当一个缓存块处于修改状态中时，任何写操作都将触发使其他不同缓存中的副本失效。修改状态允许缓存保留该块所有权，确保独占修改权限。当缓存块处于共享状态中时，可以执行读取操作，但写操作要求过渡到修改状态。
1. 拥有状态介绍：MOSI 协议通过引入附加拥有状态来扩展 MSI 协议。拥有状态表示缓存持有块的独占所有权，允许执行读取和写操作，而不会使其他副本失效。
2. 改善所有权处理：MOSI 协议中的拥有状态相对于 MSI 协议具有优势。当缓存想要修改拥有状态中的块时，它可以直接更新块而不会使其他副本失效。这减少了总线流量，并且与 MSI 协议相比提高了性能。
1. 广泛使用的缓存一致性协议：MESI 协议是最常用的缓存一致性协议之一。它通过引入独占状态来扩展 MSI 协议，这允许缓存独占地持有块的副本，表示没有其他缓存有副本。
2. 独占和修改状态的优势：MESI 协议中的独占状态允许缓存读取块而不检查其他副本，从而支持更快的读取操作。当缓存想要修改独占状态中的块时，它可以过渡到修改状态，而无需使其他副本失效。这减少了对不必要的总线事务的需要，因而提高了性能。
1. 全面一致性协议：MOESI 协议通过引入拥有状态进一步扩展了 MESI 协议，这与 MOSI 协议类似。这种状态提供了一个优势，即允许执行读取和写操作而不会使其他副本失效。
2. 增强性能和数据共享：MOESI 协议结合了修改、拥有、独占、共享和无效状态的优点。它通过最大程度地减少总线流量、减少对使无效的需求和改善缓存间的数据共享来优化性能。这种全面协议提供了处理各种场景的有效方式，促进了多处理器系统中的更好性能。
这些缓存一致性协议（MSI、MOSI、MESI 和 MOESI）提供不同级别的复杂性和折衷。每个协议都解决了在多处理器系统中维持缓存一致性的难题，提供不同的状态和过渡以确保数据一致性，以及在缓存间有效的数据共享。该协议的选择取决于系统要求、性能考虑以及复杂性和效率之间的所需折衷等因素。
有效缓存一致性在多处理器系统的性能中发挥着至关重要的作用。让我们深入探讨与缓存一致性相关的一些性能影响和考虑事项。
缓存相干性引入了额外的开销与单处理器系统相比。相干性协议需要缓存到缓存的通信、失效和更新，这些会产生延迟并且消耗总线带宽。这些操作增加了缓存未命中率，导致更长的内存访问时间。缓存未命中，尤其是与相干性相关的未命中，会导致性能下降，因为处理器通常需要从主内存或其他缓存中获取数据。
可扩展性是多处理器系统中的一个重要考虑因素。随着处理器数量的增加，维护缓存相干性变得更具挑战性。随着缓存数量增加，与相干性相关的流量和总线争用会增加，从而可能导致性能瓶颈。可扩展性挑战需要谨慎的设计决策，例如选择适当的相干性协议、缓存层次结构、互连设计和分区策略，以减轻相干性开销的影响。
缓存相干性会影响整体系统性能和延迟。与相干性相关的操作，例如失效和更新，会引起访问共享数据时的延迟。缓存失效或缓存之间消息传递等同步机制会产生额外的延迟，从而影响程序执行时间。此外，在高度并行且严重依赖共享数据的应用程序中，相干性引起的延迟可能会被放大，从而阻碍了系统性能。
缓存相干性协议涉及性能、复杂性和可扩展性之间的折衷。执行严格一致性保证的相干性协议可能会引入更高的开销并影响性能。另一方面，提供较弱一致性模型的协议可能会提供更好的性能，但需要额外的编程考量才能维护数据完整性。
设计考量涵盖各种方面，包括缓存层次结构、互连拓扑、缓存相干性优化和内存一致性模型。设计者需要权衡相干性要求、延迟、可扩展性和系统效率。缓存大小、关联性、相干性消息格式和协议优化等因素会影响性能，并且应根据应用程序和系统架构的特定要求仔细评估。
高效的缓存相干性管理对于减轻性能影响和确保多处理器系统中的最佳系统行为至关重要。它涉及在相干性开销、可扩展性挑战、系统性能以及设计中固有的折衷之间找到合适的平衡。通过周密的分析、优化和选择适当的相干性策略，设计者可以创建高性能多处理器系统，以有效处理数据共享并维护缓存一致性。
