【CPU】CPU多级缓存和MESI一致性协议
1. 三级缓存
L1 Cache：CPU 中的高速小型缓存
L1 Cache 是离 CPU 核心最近的缓存，也是访问速度最快的一层。它的设计通常非常紧凑，以确保处理器能够以极高的速度从中读取数据。L1 Cache 通常分为两部分：指令缓存（Instruction Cache, I-Cache）和数据缓存（Data Cache, D-Cache）。这种设计确保 CPU 核心能够快速访问指令和操作数据。L1 Cache 的大小通常在 32KB 到 128KB 之间。
由于其靠近 CPU 核心，L1 Cache 的访问延迟非常低，通常只有几个时钟周期。这使得它在 CPU 的频繁操作中表现极为高效，尤其是在处理循环操作或重复指令时。它的读取和写入速度非常接近处理器的时钟速度，几乎不会造成瓶颈。然而，由于大小限制，它只能存储当前处理任务中最常用的数据。
一个现实的例子可以用现代处理器的执行速度来说明。假设我们在运行一个数据处理程序，该程序需要频繁访问某些变量。L1 Cache 会保存这些高频访问的数据，因此每次访问不必耗费时间从内存中取出数据。由于 L1 Cache 的超高速度，这种访问几乎是瞬间完成的。
L2 Cache：中间层缓存，容量与速度的平衡
L2 Cache 通常比 L1 Cache 大，但速度稍慢。它的设计目标是为 L1 Cache 提供进一步的数据支持。当 L1 Cache 未命中时，L2 Cache 会被查询以寻找所需的数据。L2 Cache 的大小通常在 256KB 到几 MB 之间，具体大小取决于处理器的架构。
L2 Cache 的访问速度虽然比 L1 Cache 慢，但比系统内存（RAM）快得多。它的延迟通常在 10 到 20 个时钟周期之间。L2 Cache 是专门为提供更多存储容量而设计的，它在维持速度和容量之间寻找平衡。更大的容量允许更多数据驻留在 L2 Cache 中，从而减少 CPU 从系统内存读取数据的频率。
在现实中，我们可以想象这样一个场景：当 CPU 处理一个复杂的图像渲染任务时，涉及的数据量较大。此时，L1 Cache 容量不足以存储所有相关的数据，因此 L2 Cache 提供了一个次优的存储位置，允许 CPU 更快地访问这些数据，而不必回到远程的 RAM。
L3 Cache：共享的、远离 CPU 核心的缓存
L3 Cache 是 CPU 内核共享的最后一层缓存。相比 L1 和 L2 Cache，L3 Cache 更大，通常从几 MB 到几十 MB 不等。L3 Cache 的设计主要用于减少核心之间的数据交换延迟和内存访问冲突，因此它通常被设计为多个核心共享的结构。
尽管 L3 Cache 的大小比 L1 和 L2 Cache 更大，但它的访问速度相对较慢，延迟可以达到数十到上百个时钟周期。然而，它仍比访问主内存快得多，尤其是在多核处理器中，每个核心都可以通过 L3 Cache 更高效地共享数据。
一个典型的应用案例是现代服务器处理多个并行任务时。L3 Cache 可以缓存多个任务中的部分数据，使得 CPU 核心之间不必频繁从主内存中获取数据，从而提高整体性能。例如，在云计算平台上，多个虚拟机或容器可能在同一 CPU 上运行，L3 Cache 的设计帮助这些并行任务高效地共享数据资源。
简单理解：
L1负责频繁访问的指令的缓存，比如循环
L2负责临近数据的访问，比如数组
L1和L2是核心内的缓存，L3是多核心共享的
L3负责并行任务的缓存
2. MESI一致性协议
MESI协议是CPU缓存一致性（Cache Coherence）的核心协议，用于解决多核处理器中多个缓存副本的数据同步问题。其名称来源于四种缓存行状态的缩写：Modified、Exclusive、Shared、Invalid。
状态 数据特性 触发场景
Modified 数据仅在本核缓存中存在，且已被修改（与内存不一致） 当前核写入数据后
Exclusive 数据仅在本核缓存中存在，与内存一致 首次从内存加载数据且其他核未缓存
Shared 数据在多个核缓存中存在，所有副本与内存一致 其他核读取相同数据后
Invalid 当前缓存行数据无效（不可用） 其他核修改了数据或当前数据过期
缓存行是缓存中最小的数据存储单位，类似于内存中的“数据块，每个缓存行维护了一个上述状态机保证多核心数据一致性。