问题

多核 CPU 中，每个核心都有自己的 L1/L2 缓存。

如果核心 A 修改了某个变量 X（先写进自己的缓存），核心 B 随后读取 X，它可能读到的是自己缓存中的旧值。

这就是缓存一致性问题。

MESI 协议

最经典的解决方案。每个缓存行（Cache Line）有四种状态：

  • M（Modified，已修改）：数据被修改过，与主存不一致，只存在于本缓存中；
  • E（Exclusive，独占）：数据与主存一致，且只存在于本缓存中；
  • S（Shared，共享）：数据与主存一致，可能同时存在于多个缓存中；
  • I（Invalid，无效）：缓存行中的数据已失效。

状态转换

读操作：

  • 缓存行处于 M/E/S：直接命中；
  • 处于 I：发起总线请求，其他核心如果有该行的 M 状态，需要先写回主存（或直接传给请求方），然后请求方获得 S 状态。

写操作：

  • 处于 M：直接写（已经是最新的）；
  • 处于 E：直接改为 M（因为独占，无需通知他人）；
  • 处于 S：需要向其他核心发送失效（Invalidate）消息，让它们的副本失效，然后转为 M；
  • 处于 I：先读取（获得独占权），再写入。

总线嗅探（Snooping）

各核心的缓存控制器"监听"总线上其他核心的内存操作广播，据此更新自己缓存行的状态。

这是 MESI 的实现基础。

局限：核心数增多时，广播流量成为瓶颈。因此在大规模多核系统中，改用基于目录（Directory-based）的一致性协议：用一个中心目录记录每个内存块被哪些核心缓存，避免广播。

伪共享（False Sharing）

一个经典的性能陷阱。

两个线程分别修改两个不同的变量，但这两个变量恰好落在同一个缓存行内。

由于一致性协议以缓存行为单位维护，核心 A 修改变量 1 会导致核心 B 的整个缓存行失效；核心 B 修改变量 2 又会让 A 的缓存行失效。

结果：两个本不相关的变量，导致缓存行在两个核心之间反复"乒乓"，性能急剧下降。

解决：内存对齐填充（Padding），把变量放到不同的缓存行。在高性能并发编程中，这是一个必须掌握的技巧。

内存模型

缓存一致性协议保证了"所有核心看到的内存最终一致"，但不保证程序看到的修改顺序符合直觉。

为了性能，处理器和编译器可能对内存操作进行重排序。因此有了内存模型（Memory Model）的概念——它定义了多线程程序中，哪些读写操作的顺序是被保证的。

  • x86：相对较强的内存模型（TSO），重排受限；
  • ARM：更弱的内存模型，允许更多重排，因此需要显式的内存屏障（Memory Barrier）来保证顺序。

这也是为什么并发编程在不同平台上行为可能不同，以及为什么需要使用语言层面的同步原语（互斥锁、原子操作）。

说明：本文为多处理器体系结构的公开知识整理。