Целостность данных в кэш-памяти

Когерентность кэша (англ. cache coherence) — свойство кэшей, означающее целостность данных, хранящихся в локальных кэшах для разделяемого ресурса. Когерентность кэшей — частный случай когерентности памяти (en:memory coherence).

Когда клиенты в системе используют кэширование общих ресурсов, например, памяти, могут возникнуть проблемы с противоречивостью данных. Это особенно справедливо в отношении процессоров в многопроцессорной системе. На рисунке «Несколько кэшей для разделяемого ресурса памяти», если клиент в верхней части имеет копию блока памяти из предыдущего чтения, а нижний клиент изменяет блок памяти, копия данных в кэше верхнего клиента становится устаревшей, если не используются какие-либо уведомления об изменении или проверки изменений. Когерентность кэша предназначена для управления такими конфликтами и поддержания соответствия между разными кэшами.

Когерентность определяет поведение чтений и записей в одно и то же место памяти. Кэш называется когерентным, если выполняются следующие условия:

• 1. Если процессор Р записывает значение в переменную Х, то при следующем считывании Х он должен получить ранее записанное значение, если между записью и чтением Х другой процессор не производил запись в Х. Это условие связано с сохранением порядка выполнения программы, это должно выполняться и для однопоточной архитектуры.
• 2. Операция чтения Х процессором P_{1}, следующая после того, как другой процессор P_{2} осуществил запись в Х, должна вернуть записанное значение, если другие процессоры не изменяли Х между двумя операциями. Это условие определяет понятие когерентной видимости памяти.
• 3. Записи в одну и ту же ячейку памяти должны быть последовательными. Другими словами, если два процессора записывают в переменную Х два значения: А, затем В — не должно случиться так, чтобы при считывании процессор сначала получал значение В, а затем А.

В этих условиях предполагается, что операции чтения и записи происходят мгновенно. Однако этого не происходит на практике из-за задержек памяти и других особенностей архитектуры. Изменения, сделанные процессором P_{1}, могут быть не видны процессору P_{2}, если чтение произошло через очень маленький промежуток времени после записи. Модель консистентности памяти определяет, когда записанное значение будет видно при чтении из другого потока.