10 张图打开 CPU 缓存一致性的大门

正文

CPU Cache 的数据写入

随着时间的推移,CPU 和内存的访问性能相差越来越大,于是就在 CPU 内部嵌入了 CPU Cache(高速缓存),CPU Cache 离 CPU 核心相当近,因此它的访问速度是很快的,于是它充当了 CPU 与内存之间的缓存角色。
CPU Cache 通常分为三级缓存:L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache,级别越低的离 CPU 核心越近,访问速度也快,但是存储容量相对就会越小。其中,在多核心的 CPU 里,每个核心都有各自的 L1/L2 Cache,而 L3 Cache 是所有核心共享使用的。

后续 参见 原文

当 A 号 CPU 核心从内存读取变量 i 的值,数据被缓存在 A 号 CPU 核心自己的 Cache 里面,此时其他 CPU 核心的 Cache 没有缓存该数据,于是标记 Cache Line 状态为「独占」,此时其 Cache 中的数据与内存是一致的;

然后 B 号 CPU 核心也从内存读取了变量 i 的值,此时会发送消息给其他 CPU 核心,由于 A 号 CPU 核心已经缓存了该数据,所以会把数据返回给 B 号 CPU 核心。在这个时候, A 和 B 核心缓存了相同的数据,Cache Line 的状态就会变成「共享」,并且其 Cache 中的数据与内存也是一致的;

当 A 号 CPU 核心要修改 Cache 中 i 变量的值,发现数据对应的 Cache Line 的状态是共享状态,则要向所有的其他 CPU 核心广播一个请求,要求先把其他核心的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「无效」状态,然后 A 号 CPU 核心才更新 Cache 里面的数据,同时标记 Cache Line 为「已修改」状态,此时 Cache 中的数据就与内存不一致了。

如果 A 号 CPU 核心「继续」修改 Cache 中 i 变量的值,由于此时的 Cache Line 是「已修改」状态,因此不需要给其他 CPU 核心发送消息,直接更新数据即可。

如果 A 号 CPU 核心的 Cache 里的 i 变量对应的 Cache Line 要被「替换」,发现 Cache Line 状态是「已修改」状态,就会在替换前先把数据同步到内存。

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