在I / O期间CPU缓存是否刷新到内存？

Question

假设我的服务器程序有两个在不同内核上运行的线程（T1和T2）。两者都通过网络从单个外部客户端提供RPC。发生以下操作序列：

1. 内存变量foo初始化为零
2. 客户端发送碰巧由T1提供的RPC，将foo设置为42
3. T1将值写入foo，写入缓存在其核心的L1（非主存储器）中
4. T1向客户端发送ACK
5. 客户端发送正好由T2提供的RPC，以读取foo
6. T2从其缓存或主内存中读取foo并看到它为零
7. T2回复客户说foo为零。

这违反了外部一致性。

这实际上是否会发生，或者在执行将ACK发送回客户端的I / O时是否存在T1缓存的隐式刷新？（步骤4）？

Answer 1

在x86和x64系列上，所有缓存都是连贯的，即使两个线程不共享相同的缓存单元，你也会在T2上得到42。

您的思想实验可以进一步减少到2种情况：两个线程共享相同的缓存单元（多核）或不共享（多CPU）。

当他们共享一个缓存单元时，T1和T2都将使用相同的缓存，因此他们都会看到42而没有与内存同步。

如果不共享高速缓存（即，多CPU），则ISA要求高速缓存单元被同步，并且这对于软件是透明的。两个线程都会在同一地址看到42。这种同步虽然引入了一些开销，但是现在多核设计是首选（除了缓存昂贵的原因）。

Answer 2

在步骤3，在T1修改值之前，它获取缓存行为“exclusive”，这意味着它不存在于任何其他线程的缓存中，并将缓存行状态设置为“modified”。

在步骤6，T2在其高速缓存中没有值，因此当它获取该值时，高速缓存一致性协议在T1的高速缓存中找到修改的行。高速缓存行的状态在T1的高速缓存和T2的高速缓存中都设置为“共享”。

Answer 3

在x86上，缓存保持一致性以确保不会出现这样的问题。

第一部分是每个缓存跟踪它所拥有的每一行的状态 ¹ 。如果（使用你的例子）一个数据同时保存在两个缓存中，一个写入它，它会将其缓存行设置为“已修改”状态，并向另一个CPU发送信号告诉它将用于保存相同数据的缓存行设置为“无效”状态。

难题的第二部分是每个CPU“窥探”所有内存事务（通过其他CPU或通过总线主控PCI设备），以便当其他人试图读取其缓存中的数据时“看到”。当发生这种情况时，它会强制暂停该事务，将数据从其缓存写入内存，然后在数据写入后继续执行事务，以便获取当前数据。

1. 类的状态集是Modified，Exclusive，Shared和Invalid（MESI）。大多数现代CPU至少增加一个状态（通常是“拥有”，给予MOESI），还有一些添加更多。实际上，所有这些都包括至少修改和无效。