总线加锁机制和 MESI 缓存一致性协议

一、问题

多核 CPU 每个核有自己的缓存，同一个变量可能在多个核的缓存里都有副本。如果核 A 修改了，核 B 的缓存还是旧值，怎么办？

二、总线加锁（最早的方案）

CPU 通过锁总线来保证同一时刻只有一个核访问内存：

LOCK #LOCK
add eax, dword ptr [ebx]

执行时 CPU 锁死系统总线，其他核不能通过总线访问内存。

缺点

• 性能极差：锁总线期间所有核都不能访问内存。
• 粗粒度：一个核改一个字节，整个内存都不能访问。

三、MESI 协议

现代 CPU 用 MESI 缓存一致性协议，按缓存行为单位管理状态：

状态	含义
M Modified	当前核修改过，与内存不一致，独占
E Exclusive	缓存行独占，和内存一致
S Shared	多个核都有，和内存一致
I Invalid	无效，需要重新从内存读

四、状态转换

读操作

• 本地缓存命中（M/E/S）：直接用。
• 未命中：发广播，其他核如果有 M 状态的缓存行，先写回内存。
• 其他核都没有：变 E；其他核有：变 S。

写操作

• 当前是 E 或 M：直接写，变 M。
• 当前是 S：发无效化请求给其他核，它们变 I，自己变 M。
• 当前是 I：先获得独占权（发广播），再写。

五、为什么用 MESI 而不是总线锁

• 只锁一个缓存行，不是整个总线。
• 多核可以同时读（S 状态），不冲突。
• 写时才做协调。

六、和 Java 的关系

• volatile 写后插入的 lock 指令，本质就是让缓存行回到 M/E 状态并刷回内存。
• MESI 是硬件层的一致性，Java 内存模型（JMM）在此基础上定义了更高层的可见性语义。

高频追问

• MESI 为什么叫这四个字母？Modified / Exclusive / Shared / Invalid。
• S 状态为什么性能好？多核同时读不用协调。