3. MESI 缓存到缓存传输验证

任务目标

构造一个最小双核 MESI 模型：缓存 A 持有某地址的 S 状态副本，缓存 B 对该地址发起读请求。验证两点：

• B 的读请求由 A 通过缓存到缓存传输（Cache-to-Cache, C2C）提供数据，不访问内存；
• 传输完成后 A、B 均保持 S 状态，内存副本保持有效（未失效）。

状态与传输关系

最小实现

用 Python 模拟总线监听与状态转移。内存访问通过计数器 mem_reads 观测，C2C 传输通过 c2c_transfers 观测。

from enum import Enum

class State(Enum):
    I = "Invalid"
    S = "Shared"
    E = "Exclusive"
    M = "Modified"

class Cache:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.state = State.I
        self.data = None

class Bus:
    def __init__(self):
        self.mem_reads = 0
        self.c2c_transfers = 0

    def read(self, requester, caches, mem_data):
        # 1. 总线广播读请求，其他缓存监听
        supplier = None
        for c in caches:
            if c is requester:
                continue
            if c.state in (State.S, State.E, State.M):
                supplier = c
                break

        if supplier is not None:
            # 2. 缓存到缓存传输，不访问内存
            self.c2c_transfers += 1
            requester.data = supplier.data
            requester.state = State.S
            # 供应者若为 E/M 需降级为 S；S 保持 S
            if supplier.state in (State.E, State.M):
                supplier.state = State.S
            # 内存副本仍有效，无需写回
        else:
            # 3. 无其他缓存持有，访问内存
            self.mem_reads += 1
            requester.data = mem_data
            requester.state = State.E  # 独占加载

def run():
    mem_data = 0xAB
    bus = Bus()
    A = Cache("A")
    B = Cache("B")

    # 初始化：A 已处于 S 状态（例如之前被加载过）
    A.state = State.S
    A.data = mem_data

    # B 发起读请求
    bus.read(B, [A, B], mem_data)

    print(f"A: state={A.state.value}, data={hex(A.data)}")
    print(f"B: state={B.state.value}, data={hex(B.data)}")
    print(f"mem_reads={bus.mem_reads}, c2c_transfers={bus.c2c_transfers}")

    assert A.state == State.S, "A 应保持 S"
    assert B.state == State.S, "B 应变为 S"
    assert A.data == mem_data and B.data == mem_data
    assert bus.mem_reads == 0, "不应访问内存"
    assert bus.c2c_transfers == 1, "应发生一次 C2C 传输"
    print("PASS: S 状态下读命中通过 C2C 完成，双方保持 S")

run()

运行与验证

直接执行：python mesi_c2c.py。预期输出（由代码逻辑唯一确定）：

A: state=Shared, data=0xab
B: state=Shared, data=0xab
mem_reads=0, c2c_transfers=1
PASS: S 状态下读命中通过 C2C 完成，双方保持 S

判定通过条件：mem_reads == 0 且 c2c_transfers == 1，A、B 状态均为 Shared，数据一致。若把 A 初始状态改为 Invalid，则 mem_reads 变为 1、c2c_transfers 为 0，可作为反向对照验证。