1. MESI 状态机基础验证

任务目标

在单核环境下实现一个最小 MESI 状态机，通过读、写、外部窥探（snoop）三类事件驱动状态迁移，并用断言验证 I/S/E/M 四态的基本迁移路径。

状态迁移规则（单核）

• I + PrRd → E（无其他缓存副本，独占干净）
• I + PrWr → M（写命中即独占修改）
• E + PrRd → E；E + PrWr → M
• S + PrRd → S；S + PrWr → M（升级为修改）
• M + PrRd → M；M + PrWr → M
• 任意态 + Snoop(其他核请求) → I（本核失效）

SVG：单核 MESI 状态迁移图

完整实现（Python，可直接运行）

from enum import Enum

class M(Enum):
    I = "I"; S = "S"; E = "E"; M = "M"

class MESI:
    def __init__(self):
        self.state = M.I

    def pr_read(self):
        # 单核：I→E（无其他副本），其余保持
        if self.state == M.I:
            self.state = M.E
        return self.state

    def pr_write(self):
        # 任意态写命中 → M
        self.state = M.M
        return self.state

    def snoop(self):
        # 其他核请求本核数据 → 本核失效
        self.state = M.I
        return self.state

def check(desc, got, want):
    ok = got == want
    print(f"[{'PASS' if ok else 'FAIL'}] {desc}: got={got.value} want={want.value}")
    assert ok, desc

if __name__ == "__main__":
    c = MESI()
    check("初始态", c.state, M.I)
    check("I+PrRd→E", c.pr_read(), M.E)
    check("E+PrRd→E", c.pr_read(), M.E)
    check("E+PrWr→M", c.pr_write(), M.M)
    check("M+PrRd→M", c.pr_read(), M.M)
    check("M+PrWr→M", c.pr_write(), M.M)
    check("M+Snoop→I", c.snoop(), M.I)
    check("I+PrWr→M", c.pr_write(), M.M)
    check("M+Snoop→I", c.snoop(), M.I)
    check("I+PrRd→E", c.pr_read(), M.E)
    print("全部迁移路径验证通过")

运行与验证

1. 保存为 mesi_single.py，执行 python mesi_single.py。
2. 观察输出：每条迁移打印 [PASS]，最后打印“全部迁移路径验证通过”。
3. 通过条件：所有断言不抛异常，且覆盖 I→E、E→M、M→I、I→M 四条关键路径。

若需扩展：把 snoop() 拆成 snoop_read/snoop_write，可分别验证 M→S（共享降级）与 M→I（失效）两条路径，本案例保持单核最小闭环不展开。