Cachekoherensprotokoll

Ein Cachekoherenzprotokoll ist ein Satz von Regeln und Nachrichten, der sicherstellt, dass mehrere Cache-Speicher in Mehrkern- oder Multiprozessor-Systemen konsistente Kopien von gemeinsam genutztem Speicherinhalt enthalten. Es koordiniert Lese- und Schreibeoperationen, damit Inkonsistenzen vermieden werden und alle Caches schlussendlich denselben Wert sehen.

Es gibt zwei Hauptansätze zur Umsetzung: Snooping-Protokolle, bei denen alle Caches den gemeinsamen Bus überwachen, und Directory-basierte Protokolle, die eine zentrale oder verteilte Verzeichnistrebs nutzen, um festzuhalten, welche Caches Kopien einer Speicherzeile besitzen. Beide Ansätze definieren, wie Daten bei Lese- oder Schreibzugriffen verbreitet, aktualisiert oder invalidiert werden.

Zu den bekanntesten Protokollen gehören MSI, MESI, MOESI und MESIF. Diese Modelle unterscheiden Zustände wie Invalid (I), Shared (S), Exclusive (E) und Modified (M); MOESI ergänzt den Owned (O)-Zustand, MESIF den Forward (F)-Zustand. Die Zustandsübergänge regeln, wann eine Kopie invalidiert, eine exklusive oder modifizierte Kopie erlangt oder an andere Caches weitergegeben wird.

Ablaufbeispiele: Beim Lesen prüft der anfragende Cache, ob die Zeile vorhanden ist und in welchem Zustand. Bei einer Schreiboperation wird in der Regel eine exklusive oder modifizierte Kopie angestrebt, und andere Caches erhalten eine Invalidierung oder aktualisierte Daten. Directory-Modelle schreiben gezielte Nachrichten an Caches, die Kopien halten, statt jeden Cache global zu stören.

Auswirkungen: Cachekoherence beeinflusst Leistung, Skalierbarkeit und Energieverbrauch moderner CPUs. Die Wahl des Protokolls hängt von Architektur, Speicherhierarchie und dem zugrundeliegenden Konsistenzmodell ab; gängige Protokolle werden oft mit Optimierungen wie direkter Weitergabe oder adaptiver Invalidation eingesetzt.