JUC并发编程之MESI缓存一致协议详解

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· 2021-05-14

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前言

经过几篇文章，我一直在讲到并发下可能会导致很多问题的发生，通过volatile又能解决它的可见性和指令重排问题，在阅读我的文章的时候，不知道大家伙是否好奇过在计算机底层，它是如何保证数据的安全性的，volatile为什么能够解决这些问题？那么该文章就来用为简洁的话语来解释MESI协议。

为什么需要缓存一致性协议

在前面JMM内存模型文章中，我有写到多个线程并发访问一个主内存的共享变量时，这些线程会在各自的工作内存中拷贝一份共享变量的副本，那么这就带来了一个问题，一个线程对共享变量进行修改后，其他的线程该如何感知到共享变量的改变从而做出适当的反应，确保后续线程读取这个共享变量的时候，总是最新的值，从而防止出现脏数据的情况。说到这，就不得不说一下缓存一致性的由来。

缓存一致性的由来

首先我这里放上一张CPU内核简易结构图

在最初的CPU都是单核心，然而在CPU的高速发展下，有那么一段话，CPU发展的速度有一个摩尔定律，几乎每过18个月就会更新一次，而内存就没有这样的定律，它每次发展就像挤牙膏一样，每次挤出一点，所以CPU更新迭代快它的处理速度就很快，而内存更新迭代慢所以处理的速度远远跟不上CPU处理的速度，且CPU每次从内存中拿取数据，需要通过系统总线拿取数据，这样就会导致性能严重的降低，为解决CPU与内存之间速率不匹配的问题，现代计算机系统中引入了缓存(Cache)用于提高性能，这样CPU就可以直接读取缓存中的数据。

以上图为例，在多核CPU中，每个内核都有自己的缓存，这就引来的一个问题，当缓存的数据与内存中的数据发生不一致的话该怎么办？于是就引来了缓存一致性协议啦。

缓存一致性是什么

MESI(Modified-Exclusive-Shared-Invalid)协议是一种广为使用的缓存一致性协议，类似读写锁 对于同一地址的读内存操作是并发的，针对同一地址的写操作是独占的，对于内存地址写操作同一时间只能由一个处理器来执行。为了保持数据的一致性,MESI将缓存条目的状态划分为Modified.Exclusive,Shared,Invalid

MESI协议中一个缓存条目的状态Flag值分为以下四种

1. Invalid(无效的,记为I) 相应缓存行中不包含任何内存地址对应的有效副本数据,是缓存条目的初始状态

2. Shared(共享的,记为S)缓存行中包含相应内存地址数据的副本,其他处理器高速缓存中也可能包含相应地址内存的副本,缓存行中的数据与内存的一致

3. Exclusive(独占的,记为E)缓存行独占相应内存地址数据的副本,其他处理器高速缓存不包含相同的副本或者副本失效,缓存行中的数据与主内存数据一致

4. Modified(更改过,记为M)相应缓存行包含更新后的数据,其他处理器相同tag的缓存行只有唯一的M状态,与主内存的数据不一致

MESI定义了一组message用于协调各个处理器的读写内存操作，处理器在执行内存的读写操作时,在必要的情况下会往bus中发送特定的请求消息,每个处理器拦截这些消息，在一定情况下往bus回复消息。

如下图，就是MESI的概要图。

通过上面的理论，还不好解释MESI协议在CPU多核中到底是如何运用的，我会在下面通过几张图片的案例，来详细剖析它协议的转换过程。

如下案例，在内存中存在一个count共享变量，现在 "线程0" 需要用到该变量，那么 "线程0" 会从内存中通过bus总线将变量副本拷贝到缓存中，需要注意的是，线程都会对bus总线进行监听，例如 "线程0" 读取了共享变量，因为 "线程1"对bus总线进行了监听，所以它是知道的 "线程0" 进行了读取操作。但是目前为止该缓存变量它的状态为 "E（独占）"，为什么为独占？因为该变量只被一个线程所使用。

接着，"线程1" 也需要用到该共享变量，它同样也会通过bus总线去内存中拷贝变量副本，这时 "线程0" 监听到 "线程1" 也拷贝了共享变量副本，此时 "线程0" 它会将内部的变量状态标识改为 "S（共享）"，而 "线程1" 这边也会将变量状态标识为 "S（共享）" ，那么此时线程就不能够随便的对变量进行修改了，因为该变量被多个线程所使用，所以CPU需要同时对两个线程中的变量进行维护。

然后接着，"线程1" 对变量了进行修改，此时 "线程1" 会将共享变量的状态标识改为 "M（修改）"，并通知bus总线该变量已经发生了修改，那么这时候 "线程0" 监听到了 "线程1" 修改了共享变量， "线程0" 就会将变量状态标识改为 "I（丢弃）"，当CPU识别到 "线程1" 变量状态标识为i的时候，就会将该变量从缓存中进行丢弃，重新去内存中拷贝最新的变量副本。

但是此刻会衍生出另外一个问题，假如两个线程同时进行对变量进行了修改，那么到底是哪个线程修改成功呢？还是说晚修改的变量会对早修改的变量就行覆盖？那这样岂不是会造成脏数据的发生？

针对以上这种情况当然是不允许发生的啦，如果线程需要对变量进行修改，会先在本地的缓存行中上一个lock锁（本地写缓存行），因为数据都是存放在缓存行中的，但是会有这么一个问题，它们是对各自的缓存行进行上锁，其他的线程是并不知道，还是无法解决多个线程同时操作造成脏数据的发生，但是CPU也考虑到缓存一致性的问题，假如多个线程都对各自的缓存行进行了上锁，也同时发送本地写缓存行消息给了bus总线，那么此时就会由bus总线来决定，由某个线程来进行修改。

以上是针对正常的情况，MESI协议能够正常的对缓存行进行状态标识转换，那么我们来聊一聊针对非正常情况，MESI协议是否还适用呢？

在CPU缓存中，它的缓存大小为64个字节，假如我们现在内存中有一个大对象，它的大小为124个字节，那么在CPU中一个缓存行是无法进行存储的，它会将变量存储在两个缓存中，这样的话CPU在对变量进行操作就不再是原子操作，MESI协议无法同时对线程内的两个缓存行进行lock加锁，这时MESI协议失效，缓存行锁失效，从而晋升到bus总线锁。

总线锁的概念：将总线锁住，只有一个内核线程能够操作该变量，其他的线程只能默默的看着它进行操作啦，它的坏处在于，由多核的CPU变成了单核CPU操作效率大幅度的降低。

不知道大家伙看到这，对CPU底层对多线程数据处理，以及它的安全性问题是否有一个比较清晰的认知了呢？关于CPU底层有很多涉及到硬件层面的内容啦，大家伙感兴趣可自行查阅相关文档哦~

我是黎明大大,我知道我没有惊世的才华，也没有超于凡人的能力，但毕竟我还有一个不屈服，敢于选择向命运冲锋的灵魂，和一个就是伤痕累累也要义无反顾走下去的心。

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