Caching 内存模型/缓存一致性协议：TSO如何与MESIF结合

刚读完我的系统编程课程材料，我偶然发现了内存模型以及缓存一致性协议的关键概念。虽然它们作为独立的概念是有意义的，但它们是如何结合在一起的还不是很清楚。具体地说，在研究x86时，我使用的是一个强制执行TSO内存模型的ISA，以及一个使用MESIF缓存一致性协议的CPU（在Intel的情况下）

一开始，教授介绍了缓存一致性协议，以确保芯片中的任何核心都可以访问一个大的单片内存块。然后，在结束缓存一致性之后，他继续使用内存模型，特别是TSO（我们已经在并行编程类中介绍了线性化/顺序一致性）。以下是有关x86内存模型的讲座材料的直接引用：

• 64位x86处理器的标准配置
  • 有时称为总门店订购（TSO）
  • 早期32位x86实现的PRAM–较弱
• 写到读放松：以后的读取可以绕过以前的写入
  • 所有处理器都会按照发出的顺序查看来自一个处理器的写入
  • 处理器可以看到来自不同处理器的写入的不同交错

似乎我们通过引入缓存层次结构中的另一层，即（有序的）存储缓冲区，来“解决”缓慢的顺序一致性问题。 在我看来，TSO似乎与缓存一致性的原则是正交的。我们非常努力地使缓存匹配，结果却在缓存一致性未覆盖的中间添加了另一层

问题：

为什么缓存一致性协议不包括存储缓冲区？是否假定从存储缓冲区回写到L1的速度如此之快，以至于在大多数情况下，由于中间回写而导致的不一致不会成为问题？（也就是说，我估计store buffer->L1传输只需要几个周期，所以一旦L1接收到数据，它就会通过总线发送一个事务，通知其他内核使其副本无效）

我应该如何看待缓存一致性和内存模型这两个概念？按照我的理解，内存模型是我们想要的理论概念，而缓存一致性是实现上述模型的实际实现的一部分

提前非常感谢您的澄清

最好的，

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Felix

顺序一致性模型是共享内存并行编程最常用的内存模型。一个包含多个任务或线程的并行程序，顺序一致性需要两个条件，如下所述

程序顺序执行：每个任务中的所有内存操作都以该任务的程序顺序执行

内存访问原子性：内存操作（在并行程序的所有任务中）似乎一次执行一个

每个程序员都假设这些条件来推理他们的并行程序。 不幸的是，顺序一致性是一个没有想象中那么有用的模型。主要原因是这两个属性的实现成本。执行这些 属性禁止许多基本的编译器和硬件优化[1]。 还提出了其他弱/松弛内存模型来松弛这些属性，并允许编译器和硬件优化。这些弱内存模型可以交易 性能的可编程性

为什么缓存一致性协议不包括存储缓冲区？

出于性能原因，这是TSO的设计选择。从存储缓冲区提供负载或在负载的前一个存储（不同地址）仍在存储缓冲区中时提供负载，可以减少存储延迟。为了保持存储缓冲区的一致性，负载必须等待所有其他处理器确认接收到存储区生成的无效数据。此外，在大多数情况下，其他缓存中可能没有存储地址的任何副本（变量是任务的本地变量），因此等待确认是浪费时间。如果其他任务共享此变量，则可以使用原子或围栏指令显式强制等待确认

我应该如何看待缓存一致性和内存模型这两个概念？

缓存一致性协议涉及将存储序列化到同一内存位置，并确保加载将最近存储的值返回到同一内存位置。只有当同一内存位置存在缓存或多个副本时，才需要缓存一致性协议，其任务是保持所有副本的一致性

内存一致性模型涉及（同一任务的）加载和存储到不同内存位置的相对顺序。任何涉及执行共享内存并行程序（通过共享内存进行通信的多个任务或线程）的系统都必须定义其内存一致性模型

一般来说，缓存一致性协议实现了内存一致性模型的一部分。更准确地说，它是核心管道和缓存一致性协议（以及内存指令遍历的所有其他组件）的组合，必须遵守内存模型规范。 [1] :