在計算機科學中，快取一致性（英語：Cache coherence，或cache coherency），又譯為快取連貫性、快取同調，是指保留在高速快取中的共享資源，保持數據一致性的機制。其有多個譯名，如：快取一致性，高速緩衝存儲器一致性，等建議譯為：高速快取間一致性。
基本介紹
- 中文名：快取一致性
- 外文名：cache coherency
- 領域：計算機
快取一致性問題的提出,快取一致性的解決方案,MESI協定,
快取一致性問題的提出
計算機在執行程式時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程中會涉及到數據的讀取和寫入。由於程式運行過程中的臨時數據是存放在主存（物理記憶體）當中的，這時就存在一個問題，由於CPU執行速度很快，而從記憶體讀取數據和向記憶體寫入數據的過程跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候對數據的操作都要通過和記憶體的互動來進行，會大大降低指令執行的速度。因此在CPU裡面就有了高速快取(Cache)的概念。當程式在運行過程中，會將運算需要的數據從主存複製一份到CPU的高速快取當中，那么CPU進行計算時就可以直接從它的高速快取讀取數據和向其中寫入數據，當運算結束之後，再將高速快取中的數據刷新到主存當中。
這一過程在單執行緒運行是沒有問題的，但是在多執行緒中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條執行緒可能運行於不同的CPU中，因此每個執行緒運行時有自己的高速快取（對單核CPU來說，其實也會出現這種問題，只不過是以執行緒調度的形式來分別執行的）。這時CPU快取中的值可能和快取中的值不一樣，這就是著名的快取一致性問題。
快取一致性可以分為三個層級：
- 在進行每個寫入運算時都立刻採取措施保證數據一致性
- 每個獨立的運算，假如它造成數據值的改變，所有進程都可以看到一致的改變結果
- 在每次運算之後，不同的進程可能會看到不同的值（這也就是沒有一致性的行為）
快取一致性的解決方案
為了解決快取不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：
1.通過在匯流排加LOCK#鎖的方式
2.通過快取一致性協定
這2種方式都是硬體層面上提供的方式。
在早期的CPU當中，是通過在匯流排上加LOCK#鎖的形式來解決快取不一致的問題。因為CPU和其他部件進行通信都是通過匯流排來進行的，如果對匯流排加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如記憶體），從而使得只能有一個CPU能使用這個變數的記憶體。在匯流排上發出了LCOK#鎖的信號，那么只有等待這段代碼完全執行完畢之後，其他CPU才能從其記憶體讀取變數，然後進行相應的操作。這樣就解決了快取不一致的問題。
但是由於在鎖住匯流排期間，其他CPU無法訪問記憶體，會導致效率低下。因此出現了第二種解決方案，通過快取一致性協定來解決快取一致性問題。。最出名的就是Intel 的MESI協定，MESI協定保證了每個快取中使用的共享變數的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數據時，如果發現操作的變數是共享變數，即在其他CPU中也存在該變數的副本，會發出信號通知其他CPU將該變數的快取行置為無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變數時，發現自己快取中快取該變數的快取行是無效的，那么它就會從記憶體重新讀取。
快取一致性解決方案MESI協定
單核Cache中每個Cache line有2個標誌：dirty和valid標誌，它們很好的描述了Cache和Memory(記憶體)之間的數據關係(數據是否有效，數據是否被修改)，而在多核處理器中，多個核會共享一些數據，MESI協定就包含了描述共享的狀態。
在MESI協定中，每個Cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：
M(Modified)：這行數據有效，數據被修改了，和記憶體中的數據不一致，數據只存在於本Cache中。
E(Exclusive)：這行數據有效，數據和記憶體中的數據一致，數據只存在於本Cache中。
S(Shared)：這行數據有效，數據和記憶體中的數據一致，數據存在於很多Cache中。
I(Invalid)：這行數據無效。
在該協定的作用下，雖然各cache控制器隨時都在監聽系統匯流排，但能監聽到的只有讀未命中、寫未命中以及共享行寫命中三種情況。讀監聽命中的有效行都要進入S態並發出監聽命中指示，但M態行要搶先寫回主存；寫監聽命中的有效行都要進入I態，但收到RWITM時的M態行要搶先寫回主存。總之監控邏輯並不複雜，增添的系統匯流排傳輸開銷也不大，但MESI協定卻有力地保證了主存塊髒拷貝在多cache中的一致性，並能及時寫回，保證cache主存存取的正確性。
