CoherenceProtokolle

CoherenceProtokolle sind Mechanismen in Computersystemen mit mehreren Caches, die sicherstellen, dass mehrere Prozessoren oder Kerne eine konsistente Sicht auf gemeinsamen Speicher haben. Ziel ist, dass Leseoperationen die aktuellsten Schreibvorgänge widerspiegeln und Schreiboperationen für alle Caches in einer kohärenten Reihenfolge sichtbar werden.

Sie arbeiten mit Zustandsmaschinen pro Cache-Linie, Snooping auf einem gemeinsamen Bus oder mit Directory-bezogenen Verfahren, um Cache-Kopien bei Zugriffen zu invalidieren oder zu aktualisieren. Die Protokolle unterscheiden sich im Zusammenhang mit Speicherkohärenzmodellen wie sequentieller Konsistenz, die festlegt, wann Operationen sichtbar werden.

Typische Protokolle sind MSI, MESI, MOESI und MESIF. MSI definiert Modified, Shared und Invalid; MESI fügt Exclusive hinzu; MOESI führt Owned ein; MESIF ergänzt Forward. Viele Systeme kombinieren Invalidation mit Update-Strategien und setzen auf Snooping oder Directory-Systeme, je nach Skalierungserfordernis.

Anwendung und Auswirkungen: In Mehrkernprozessoren sind CoherenceProtokolle zentral für Leistung und Korrektheit. Wahl von Invalidation vs Update sowie von Bus- vs Directory-Architektur beeinflusst Latenz, Bandbreite und Skalierbarkeit. Komplexität steigt mit der Anzahl der Caches und Problemen wie False Sharing müssen vermieden werden.

Historisch gehören CoherenceProtokolle zu den Kernkonzepten der gemeinsamen Speichernarchitekturen; sie wurden in den 1980er Jahren erforscht und durch Varianten wie MESI in kommerziellen Prozessoren weiterentwickelt.