CPU多级缓存与缓存一致性，知晓其本质才能知悉并发性

CPU多级缓存

为了解决CPU处理器与内存之间读写效率的问题，在CPU和内存之间加入了高速缓存。缓存是一块高速存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU频繁访问的数据，从而减少CPU对内存的访问次数，提高CPU的处理速度。

CPU缓存分为多级，一般分为L1缓存、L2缓存和L3缓存。L1缓存是最靠近CPU的缓存，它也是最小的缓存，但它的访问速度最快。L2缓存比L1缓存大，但访问速度比L1缓存慢。L3缓存是最大的缓存，但访问速度也最慢。

缓存一致性

在多核CPU中，每个CPU都有自己的缓存。当多个CPU同时访问同一个内存地址时，可能会导致缓存中的数据与内存中的数据不一致。这种不一致称为缓存一致性问题。

缓存一致性问题可能会导致程序出现错误的结果。例如，一个CPU从内存中读取了一个数据，并将其存储在自己的缓存中。此时，另一个CPU也从内存中读取了同一个数据，并将其存储在自己的缓存中。如果第一个CPU修改了缓存中的数据，那么第二个CPU的缓存中的数据就会与内存中的数据不一致。如果第二个CPU随后从内存中读取了该数据，那么它就会得到一个不正确的结果。

解决缓存一致性问题

为了解决缓存一致性问题，需要使用缓存一致性协议。缓存一致性协议是一种硬件机制，它可以保证所有CPU的缓存中的数据始终与内存中的数据一致。

缓存一致性协议有多种，其中最常见的是MESI协议。MESI协议使用四种状态来跟踪缓存中的数据的状态：

• M（Modified）： 表示缓存中的数据已被修改，与内存中的数据不一致。
• E（Exclusive）： 表示缓存中的数据与内存中的数据一致，并且该数据没有被其他CPU缓存。
• S（Shared）： 表示缓存中的数据与内存中的数据一致，并且该数据已被其他CPU缓存。
• I（Invalid）： 表示缓存中的数据无效，即该数据与内存中的数据不一致，也未被其他CPU缓存。

当一个CPU要读取一个内存地址中的数据时，它会首先检查自己的缓存中是否已经有了该数据。

• 如果缓存中已有该数据，则直接从缓存中读取数据。
• 如果缓存中没有该数据，则从内存中读取数据并将其存储在缓存中。

当一个CPU要修改一个内存地址中的数据时，它会首先检查自己的缓存中是否已经有了该数据。

• 如果缓存中已有该数据，则直接修改缓存中的数据。
• 如果缓存中没有该数据，则从内存中读取数据并将其存储在缓存中，然后修改缓存中的数据。

当一个CPU修改了缓存中的数据时，它会向其他CPU发送一个消息，通知它们该数据已被修改。

• 其他CPU收到该消息后，会将自己的缓存中的该数据置为无效状态。
• 当其他CPU再次访问该数据时，它们会从内存中读取数据并将其存储在自己的缓存中。

MESI协议可以保证所有CPU的缓存中的数据始终与内存中的数据一致。

结论

缓存是提高CPU处理速度的重要手段，但缓存也可能导致缓存一致性问题。缓存一致性问题可能会导致程序出现错误的结果。为了解决缓存一致性问题，需要使用缓存一致性协议。MESI协议是最常见的缓存一致性协议之一，它可以保证所有CPU的缓存中的数据始终与内存中的数据一致。