缓存操作是原子的吗？

我正在学习有关CPU高速缓存的信息，但是现在我仍然对高速缓存一致性协议（MESI）有误解。想象一下，我们有2个内核在共享状态下有一条缓存行。其中一个执行读取，另一个执行写入：

 ;mem is cached in Shared state
 Thread 1 (core 1)          Thread 2 (core 2)
  mov rax, [mem]            mov [mem], dword 1

核心1可以观察到某些中间状态。我的意思是这样的：

Core 2将缓存行标记L1D为已修改，并将更改写入其中。

高速缓存行core 1的L1D高速缓存仍处于Shared状态，所以读恰好读取陈旧的价值。

读取过时的值之后，已经将core 1的L1D缓存中的行标记为无效。

英特尔的MESI / MESIF实施中是否可能出现这种情况？

核心1的L1D缓存中的缓存行仍处于Shared状态

这是违反MESI的方案的一部分。在核心2发送的RFO完成之前，存储无法提交，因此核心1的行处于无效状态。

但是，在您的示例中，这实际上不是“中间”步骤。如果没有同步，则无法通过将核心1的负载简单地在线路无效之前发生来区分您不可能的情况。也就是说，核心1的负载可以按全局顺序出现在核心2的存储之前。

直到在本地执行存储之后（它们必须退出，然后存储队列才能将它们提交到L1D），这些存储才成为全局可见的，并且x86的内存模型允许StoreLoad重新排序，因此可以延迟存储（保留隐藏在私有存储中）队列），直到以后核心2的负载变得全局可见。（有关内存重新排序以及StoreLoad重新排序的含义的更多信息，请参阅Jeff Preshing的“ 内存障碍就像源代码控制操作 ”。）

在MESI（以及所有类似MESIF或MOESI的变体）中，如果一个缓存的行处于E或M状态，则其他缓存都不能拥有该行的副本。MESI维基百科文章中的状态表清楚地表明了这一点：如果一个缓存具有E或M状态，则其他缓存都具有Invalid状态。

两个缓存都不可能都具有一行具有不同数据的有效副本。这就是缓存保持一致的含义，而阻止这种情况的发生是MESI协议的重点。

如果某个核心想要修改一个缓存行，它将获得该行的独占所有权，因此其他任何核心都无法观察到过时的值。这必须在商店可以提交到L1D 之前进行。存在存储队列以隐藏所有权读取的延迟（除其他事项外），但是存储队列中的数据尚未提交给L1D。（相关：当不同的CPU内核不同步地写入同一RAM地址时会发生什么？有关存储队列的更多信息）。

顺便说一句，顺便说一句，假设它[mem]是自然对齐的，因此对其的加载/存储是原子的（由x86架构保证）。 为什么在x86上对自然对齐的可变原子进行整数赋值？。

多级缓存和修改的行

使用多级缓存，脏的缓存行可以在层次结构中传播。因此，在同一核心的 L1D和L2中，一条线可以处于修改状态。这很好，因为从L1D进行写回通过L2。

据我了解，英特尔CPU中包含共享的三级高速缓存无需先回写DRAM，即可将高速缓存行的副本共享给多个内核。因此，就普通/简单的MESI而言，将L3视为后备存储，而不是DRAM。

在多路插座系统上进行这项工作很棘手。我不确定是否已进行设置，因此套接字中的L3只能缓存与该套接字所连接的DRAM对应的物理地址。无论如何，侦听请求都会在L3缓存未命中的套接字之间发送，并且您可以配置许多复杂的设置来在Xeon系统上进行调整。（例如，请参阅有关Haswell Xeon的Anandtech文章。）