缓存一致性是针对多核心CPU系统而言的，因为每个CPU核心内部都有自己的CPU缓存，就需要考虑不同CPU核心保证缓存中数据一致性的问题，单核心CPU是不存在这个问题的。
CPU有一套完整的协议，来保证缓存一致性。MESI协议则是比较经典的缓存一致性协议，奔腾处理器有使用它，很多其他的处理器都也都使用它的变种。
概念
MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）是一种广泛使用的支持写回（write back）策略的缓存一致性协议。
write-back和write-through是执行写操作的两种策略：
Write back：先标记不写回，等到使用的时候再写回主存。
Write-back (also called write-behind): initially, writing is done only to the cache. The write to the backing store is postponed until the modified content is about to be replaced by another cache block.
Write through：同步修改缓存和主存。
Write-through: write is done synchronously both to the cache and to the backing store.
MESI是write-back的方式。
缓存行（caceh line)
缓存行可以简单理解为CPU缓存中的最小存储单元，也是MESI操作的基本单位。
CPU中的L1、L2、L3级缓存实际上是由很多缓存行组成。根据CPU的不同，缓存行的大小也不同，典型大小是64byte。
多个数据可以存储在一个缓存行，一个数据可以存储在多个缓存行（此种情况会导致MESI协议失效）
MESI协议中的状态
在MESI协议中，每个Cache line有4个状态，使用额外的2个bit表示，它们分别是：
M: 被修改（Modified)
描述：该缓存行数据有效，数据只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的，即与主存中的数据不一致。
监听：缓存行必须时刻监听其他CPU对该缓存行对应在主存中的数据的读（read）操作，这个read操作会在该缓存行写回主存并将状态变成S（共享）状态之前被延迟执行。E: 独享的（Exclusive)
描述：该缓存行数据有效，数据只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的，与主存中数据一致。
当该CPU修改这个缓存行中内容时，则该缓存行变成Modified状态。
监听：缓存行也必须时刻监听其他CPU对该缓存行对应在主存中的数据的读（read）操作，一旦有这种操作，该缓存行需要变成S（共享）状态。S: 共享的（Shared)
描述：该缓存行数据有效，数据被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致。
监听：缓存行必须时刻监听其他CPU使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，并将该缓存行变成无效（Invalid）。I: 无效的（Invalid）
描述：该缓存是无效的（有其它CPU修改了该缓存行缓存的数据）。
监听：无。
M(Modified)和E(Exclusive)状态的缓存行，其中缓存的数据都是CPU独有的，不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致)，E状态的数据是clean的(和内存的一致)。
(Shared)状态的缓存行，其中缓存的数据和其他CPU核心缓存行中数据共享。只有clean的数据才能被多个CPU缓存行共享。
I(Invalid)表示这个缓存行无效。
E状态示例如下：
M状态示例如下:
S状态示例如下：
M状态和I状态并存示例如下：
在MESI协议中，每个缓存行的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，同时也监听(snoop)其它CPU中缓存行的读写操作。每个缓存行所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。
MESI协议状态迁移图如下：
在上图中，Local Read表示本内核读本Cache中的值，Local Write表示本内核写本Cache中的值，Remote Read表示其它内核读其它Cache中的值，Remote Write表示其它内核写其它Cache中的值，箭头表示本Cache line状态的迁移，环形箭头表示状态不变。
当内核需要访问的数据不在本Cache中，而其它Cache有这份数据的备份时，本Cache既可以从内存中导入数据，也可以从其它Cache中导入数据，不同的处理器会有不同的选择。MESI协议为了使自己更加通用，没有定义这些细节，只定义了状态之间的迁移，下面的描述假设本Cache从内存中导入数据。
MESI状态之间的迁移过程如下：
延伸理解
- 一个缓存除在Invalid状态外都可以满足cpu的读请求，一个Invalid的缓存行必须从主存中读取（变成S或者 E状态）来满足该CPU的读请求。
- 一个写请求只有在该缓存行是M或者E状态时才能被执行，如果缓存行处于S状态，必须先将其它缓存中该缓存行变成Invalid状态（也既是不允许不同CPU同时修改同一缓存行，即使修改该缓存行中不同位置的数据也不允许）。该操作经常作用广播的方式来完成，例如：RequestFor Ownership (RFO)。
- 对于M和E状态而言总是精确的，他们在和该缓存行的真正状态是一致的。而S状态可能是非一致的，如果一个缓存将处于S状态的缓存行作废了，而另一个缓存实际上可能已经独享了该缓存行，但是该缓存却不会将该缓存行升迁为E状态，这是因为其它缓存不会广播他们作废掉该缓存行的通知，同样由于缓存并没有保存该缓存行的copy的数量，因此（即使有这种通知）也没有办法确定自己是否已经独享了该缓存行。
从上面的意义看来E状态是一种投机性的优化：如果一个CPU想修改一个处于S状态的缓存行，总线事务需要将所有该缓存行的copy变成Invalid状态，而修改E状态的缓存不需要使用总线事务。