在閱讀linux相關(guān)源碼的過程中，經(jīng)?？吹絻?nèi)存屏障相關(guān)原語，如mb(),rmb(),wmb等。要想理解這些原語的作用，有必要理解SMP緩存一致性原理。

在SMP系統(tǒng)中，處理器的每個核都有獨(dú)立的一級緩存，因此同一內(nèi)存位置的數(shù)據(jù)，可能在多個核一級緩存中存在多個副本，所以存在數(shù)據(jù)一致性的問題。目前主流的緩存一致性協(xié)議是MESI協(xié)議及其衍生協(xié)議。

原生的MESI協(xié)議有4種狀態(tài)：

M(Modify)修改：表示數(shù)據(jù)只存在本地處理器緩存的在副本，數(shù)據(jù)是臟的，即數(shù)據(jù)被修改過，還沒有寫回內(nèi)存。 E(Exclusive)獨(dú)占：表示數(shù)據(jù)只存在本地處理器緩存的副本，數(shù)據(jù)是干凈的，即副本和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)相同。 S(Shared)共享：表示數(shù)據(jù)存在多個處理緩存的副本，數(shù)據(jù)是干凈的，即所有副本和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)相同。 I(Invalid)無效：表示緩存行中沒有數(shù)據(jù)。 為了維護(hù)緩存一致性，處理器之間需要通信，MESI協(xié)議提供了以下消息：

Read讀：包含想要讀取的緩存行的物理地址。 Read Response讀響應(yīng)：包含讀消息請求的數(shù)據(jù)。讀響應(yīng)消息可能是由內(nèi)存控制器發(fā)送的，也可能是由其他處理器的緩存發(fā)送的。如果一個處理器的緩存行有想要的數(shù)據(jù)，并且處于修改狀態(tài)，那么必須發(fā)送讀響應(yīng)消息。 Invalidate使無效：包含想要刪除的緩存行的物理地址。所有其他處理器必須從緩存行中刪除對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送使無效確認(rèn)消息來應(yīng)答。 Invalidate Acknowledge使無效確認(rèn):處理器收到使無效消息，必須從緩存行中刪除對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送使無效確認(rèn)應(yīng)答。 Read Invalidate讀并且使無效：包含想要讀取的緩存行的物理地址，同時要求從其他緩存中刪除數(shù)據(jù)。它是讀消息和使無效消息的組合 ，需要接收者發(fā)送讀響應(yīng)消息和使無效確認(rèn)消息。 Writeback寫回：包含想要寫回到內(nèi)存的地址和數(shù)據(jù)。 由此我們看到，為了保證緩存在各處理器間的一致性，需要進(jìn)行核間的消息的處理。因此即使像原子變量這種看似沒有消耗的同步機(jī)制也是有開銷的。

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我們來通過下面的例子加深一下理解：

假設(shè)有2個處理0，1。兩個處理的緩存行初始處于無效狀態(tài)。

1.處理器0加載地址x的數(shù)據(jù)，因為本地緩存沒有副本，所以發(fā)送Read消息。內(nèi)存控制器讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送響應(yīng)消息。處理器0收到響應(yīng)消息后，緩存行從無效狀態(tài)轉(zhuǎn)換到共享狀態(tài)。

2.處理器1加載地址x的數(shù)據(jù)，因為本地緩存沒有副本，所以發(fā)送Read消息。處理器0收到消息后，發(fā)送Read Responed響應(yīng)消息。處理器1收到響應(yīng)將緩存行從無效狀態(tài)轉(zhuǎn)換到共享狀態(tài)。

3.處理器0存在地址n的數(shù)據(jù)，因為緩存行處于共享狀態(tài)，因此發(fā)送使無效消息，處理器1收到消息后，將緩存變?yōu)闊o效狀態(tài)并發(fā)送Invalidate Acknowledge.處理器0收到響應(yīng)后將緩存行變?yōu)镸odify修改狀態(tài)。

4.接下來處理器1可能可能出現(xiàn)讀和寫2種情況 ：

處理器1讀取地址n數(shù)據(jù)，因為本地緩存沒有副本，因此發(fā)送讀消息。處理器0收到讀消息后，進(jìn)行寫回操作，寫回內(nèi)存，轉(zhuǎn)換為共享狀態(tài)。然后回應(yīng)讀響應(yīng)消息。處理器1收到響應(yīng)，置緩存為共享狀態(tài)。 處理器1修改地址n數(shù)據(jù)，因為本地緩存沒有副本，因此發(fā)送讀且使無效消息，處理器0收到消息后，發(fā)送確認(rèn)，并將狀態(tài)從修改轉(zhuǎn)為無效。處理器1收到確認(rèn)，修改數(shù)據(jù)并置為修改狀態(tài)。 通過理解SMP一致性，能夠讓我們更好地理解linux的內(nèi)存同步原語。