Cachekoherenzprotokoll

Cachekoherenzprotokoll bezeichnet in der Computerarchitektur die Regelwerke, die sicherstellen, dass bei mehreren Caches eines Speichersystems eine konsistente Sicht auf gemeinsam genutzte Daten gewahrt bleibt. Ziel ist es, dass Lese- und Schreiboperationen in allen Caches zu gültigen, widerspruchsfreien Werten führen, auch wenn mehrere Prozessoren gleichzeitig auf denselben Speicherbereich zugreifen.

Protokolle lassen sich grob in snooping-basierte (busbasierte) Protokolle und verzeichnisbasierte Protokolle unterscheiden. Snooping-Protokolle nutzen eine Bus- oder Verbindung, über die Caches Transaktionen beobachten und eigene Zustandswechsel durchführen. Verzeichnisbasierte Protokolle speichern an zentraler Stelle oder dezentral in Verzeichnissen den Status jeder Speicherzeile und skalieren besser in größeren Systemen.

In der Praxis sind die bekanntesten Protokolle MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid). Bei MESI haben Cachezeilen vier Zustände, die Übergänge werden durch Lese- bzw. Schreiboperationen, Invalidationen und Aktualisierungen ausgelöst. Erweiterungen wie MOESI (Modified, Owned, Exclusive, Shared, Invalid) oder MESIF fügen zusätzliche Zustands- oder Optimierungsoptionen hinzu, etwa den Owned- oder Forward-Zustand, um Traffic und Latenzen zu optimieren.

Operativ arbeiten Koherence-Protokolle durch den Austausch von Nachrichten, die Lese-, Schreib- oder Invalidate-Anfragen transportieren. Ziel ist es, Race Conditions zu vermeiden und die Speicherversionen konsistent zu halten, ohne unnötigen Speicherzugriff zu verzögern.

Coherence-Protokolle stehen im Kontext von Speicherkonsistenzmodellen, die festlegen, wann Speicherbefehle als sichtbar gelten. Sie sind zentraler Bestandteil moderner Mehrkern- und Mehrprozessor-Systeme.