Geheugencoherentie

Geheugencoherentie is een eigenschap van een gedeeld geheugensysteem waarbij meerdere processors of cores die toegang hebben tot hetzelfde geheugenadres een consistente kijk op de geheugenwaarden behouden. In praktische termen betekent coherentie dat als een processor een schrijfbewerking aan een geheugenlocatie uitvoert, andere processors zo snel mogelijk een juiste, bijgewerkte waarde zien en verouderde waarden vermijden. Coherentie voorkomt situaties zoals read-after-write en write-after-read die tot inconsistent gedrag zouden kunnen leiden in cache-gebaseerde systemen.

Implementatie en mechanismen

Geheugencoherentie wordt doorgaans gehandhaafd door cache-coherentieprotocollen. Deze protocollen zorgen ervoor dat caches die hetzelfde geheugenadres bevatten elkaar in gang van zaken informeren bij lezen en schrijven. Veel gebruikte benaderingen zijn snooping-basierte protocollen (waarbij caches op een gedeelde bus communiceren) en directory-gebaseerde protocollen (waarbij een centrale directory de coherentie-regels bewaakt). Typische protocollen zijn MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) en varianten als MOESI (Mod-Ex-Shared-Invalid) en MESIF. Deze protocollen bepalen wanneer caches een kopie invalide maken, updaten of in speciale toestanden houden, zodat er één consistente weergave van elke geheugenlocatie bestaat.

Relatie met geheugenmodellen

Coherentie is een hardwarematige garantie die ervoor zorgt dat meerdere kopieën van dezelfde geheugenlocatie op consistente wijze blijven. Het geheugenmodel van een systeem beschrijft daarentegen de mogelijke volgordes en zichtbaarheid van operaties op een hoog niveau voor programmeurs. Coherentie zorgt voor een eenduidige visie op waarden, terwijl geheugenmodellen ook de toegestane herordening van operaties bepalen.

Toepassingen en uitdagingen

Geheugencoherentie is essentieel in multi-core en multi-processor systemen en bij moderne CPUs met privé caches. Uitdagingen omvatten schaalbaarheid, coherentieverkeer en prestatie-optimalisatie, evenals valkuilen zoals false sharing en latentie bij invalidering of update van caches.