MOESI一致性协议下，CPU1加载时CPU0存储缓冲区是否会刷新？

考虑以下代码：

std::atomic<int> a = 100;
---
CPU 0:
a.store(101, std::memory_order_relaxed);
---
CPU 1:
int tmp = a.load(std::memory_order_relaxed);  // 假设`tmp`为101。

假设CPU0对a的存储操作在时间上早于CPU1对a的加载操作，此时tmp的值为101。

若采用MOESI一致性协议，CPU0存储a时会以修改（M）模式获取缓存行，该操作进入CPU0的存储缓冲区；若CPU1缓存中存在该行，其副本会转为无效（I）模式。

当CPU1加载a时，缓存行会转为共享（S）模式或拥有（O）模式。

假设CPU1加载a时，a仍在CPU0的存储缓冲区中。 由于CPU1无法读取CPU0的存储缓冲区，那么当CPU1读取a所在缓存行时，是否意味着CPU0的存储缓冲区（至少包含a的缓存行）被刷新？

若未发生刷新，则会出现CPU0与CPU1同时以共享（S）模式持有该缓存行，但CPU0看到a的值为101、CPU1看到a的值为100的不一致情况。

注：本文针对MOESI协议提问，尽管各微架构实现的一致性协议不同，但此类问题的处理逻辑大致相似。

解答 #

是的，CPU1读取a所在缓存行时，会触发CPU0存储缓冲区中对应缓存行的刷新，具体逻辑如下：

• 总线事务触发同步：当CPU1发起读请求时，会在系统总线上广播该请求。CPU0的缓存控制器会监测到这个请求——因为它已将目标缓存行标记为M（修改）模式（即使存储操作还在缓冲区中，缓存行的权限状态已提前更新为M）。
• 缓冲区冲刷与数据提交：CPU0必须响应这个读请求，首先将存储缓冲区中针对该缓存行的未完成存储操作冲刷到缓存中，然后把更新后的缓存行数据通过总线发送给CPU1。同时，CPU0的缓存行权限会从M转为O（拥有）或S（共享），CPU1的缓存行则被设置为S模式。
• 一致性保障：这种机制是MOESI协议维护缓存一致性的核心，避免了你提到的“双CPU持S模式但数据不一致”的情况——缓存一致性协议的基本要求就是所有CPU看到的内存状态最终一致，且外部读请求必须获取到最新的已提交值。

另外需要说明：std::memory_order_relaxed仅保证操作的原子性，不强制内存顺序，但缓存一致性协议本身会确保当一个存储操作对其他CPU可见时，必然是已提交的最新值——这里的可见性触发点就是CPU1的读请求引发的总线事务，强制CPU0完成未提交的存储。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jack Humphries