A-primer-on memory-consistency-and-cache-coherence-2nd.pdf

内存一致性与缓存一致性简介（第二版） 在现代计算机系统中，包括同构和异构架构，硬件通常支持共享内存。共享内存系统中，每个处理器核心可以读取和写入单一的共享地址空间。内存一致性模型定义了这些系统中内存系统的架构可见行为。一致性定义为加载和存储（或内存读取和写入）提供了规则，以及它们如何作用于内存。为了支持内存一致性模型，许多机器还提供了缓存一致性协议，以确保数据的多个缓存副本保持最新状态。 本教程的目标是使读者对一致性与缓存一致性有基本的理解，这包括必须解决的问题以及各种解决方案。我们既介绍了高层次的概念，也提供了来自实际系统的具体实例。第二版反映了自第一版以来十年的进步，其中包括两个新的章节：一个关于非CPU加速器（重点是GPU）的一致性和一致性性，另一个指向一致性与缓存一致性的形式化工作和工具。 内存一致性是多处理器系统中的关键概念，它规定了不同处理器之间对共享内存的访问顺序和可见性。例如，在弱一致性模型中，处理器可能在不同的时间看到其他处理器对内存的更新，而在强一致性模型中，所有处理器会立即看到所有更新。一致性模型的设计需要权衡性能、功耗和复杂性。 缓存一致性则是确保当多个处理器都有某个数据项的缓存副本时，它们之间的更新能够正确传播。典型的缓存一致性协议如MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalidated）协议，通过状态标记来管理缓存行的状态，保证了缓存的一致性。当一个处理器修改了缓存中的数据，其他处理器的相应缓存行会被标记为无效，下次访问时会强制从主存重新获取。 非CPU加速器（如GPU）的一致性和缓存一致性问题更为复杂，因为GPU通常具有大量的计算单元，它们并行执行任务，需要高效地与CPU共享数据。GPU一致性模型需要处理更多并发访问和数据同步问题，例如使用CUDA的内存一致性模型。 形式化工作和工具对于验证和设计内存一致性模型和缓存一致性协议至关重要。它们可以帮助开发者避免潜在的错误和竞态条件，确保系统行为符合预期。 内存一致性与缓存一致性是多处理器和多核系统设计中的基础概念，理解和掌握这些知识对于系统架构师、软件开发者和硬件工程师来说都至关重要。随着计算机系统的复杂度不断增加，对这些问题的研究和理解也将不断深入。本教程提供了一个了解这一领域的起点，对于进一步研究和实践极具价值。