13.深入浅出高速缓存带来的可见性问题_cache引发数据可见性问题?

除了编译器优化等导致重排序，还有一种情况也会导致可见性问题，那就是高速缓存的存在，本节我们就来分析一下。

本节涉及的内容，例如缓存一致性协议等，在网上能找到很多介绍，但是其转移过程都非常复杂，我们重点深入浅出解释该问题。

1 总线锁和缓存锁

我们知道在计算机中CPU是速度最快的，而磁盘IO等是相对比较慢的，因此为了提高CPU的处理效率会在多个层次增加缓存。首先是CPU内核就有寄存器作为缓存，另外还有数据缓存和指令缓存。这两级都是在CPU内的，而CPU和IO设备之间还有一层缓存，这就是CPU的三级缓存。如下图所示：

这时候很明显的问题就出现了，如果一个CPU修改了数据，而其他CPU并不知道，就可能使用错误的数据继续进行其他处理，那么自然结果就错了。这就是CPU的缓存导致一致性出现问题的原因。

为了解决该问题就有两种基本的方法：总线锁和缓存锁，而缓存锁主要是指缓存一致性协议。

我们先明确一下什么是总线，所谓总线就是CPU与内存、IO设备之间的公共通道，也就是上图中蓝色标记的区域。当CPU访问内存时，必须经过总线锁。

而总线锁就是在总线上声明一个Lock#信号，这个信号能保证共享内存只有当前CPU可以访问，其他的处理器请求时都会被阻塞，这样就可以保证同一个时刻只有一个处理器能访问共享内存，从而解决了不一致的问题。这么做的代码也很明显，就是CPU的利用率严重下降。

为此，处理器又推出了缓存锁机制。意思是说如果当前CPU访问的数据已经缓存在其他CPU的高速缓存中，那么CPU不会总再总线上声明Lock#信号，而是采用缓存一致性协议来保证多个CPU的缓存一致性问题。

2.缓存一致性协议

缓存锁是通过缓存一致性协议来保证缓存一致性的，不同CPU支持的类型有所差异，目前使用最多的是MESI协议，该协议被应用在Intel奔腾系列的CPU中。

MESI是Modified、Exclusive、Shared、Invalid这四个单词的首字母。这4个字母分别代表4种状态：该协议的原理很简单，就是在MESI协议中，定义了几个不同情况下的状态，每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line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。

我们结合图示再看一下上述几种状态是啥意思。

E状态

只有Core 0访问变量x，它的Cache line状态为E(Exclusive)。

S状态

3个Core都访问变量x，它们对应的Cache line为S(Shared)状态。

M状态和<I>状态之间的转化

Core 0修改了x的值之后，这个Cache line变成了M(Modified)状态，其他Core对应的Cache line变成了I(Invalid)状态。

状态明确之后，那相互之间是如何迁移的呢？这个过程描述起来非常复杂，我们只看简化的情况：

假如只有两个CPU核，如图1所示，当单个CPU从主内存中读取一个数据保存到高速缓存中时，具体的流程是CPU0发出从内存中读取x变量的指令，主内存通过总线返回数据后缓存到CPU0的高速缓存中 ，并且设置该缓存状态为E。

此时如果CPU1同样发出一条针对x的读取指令，如图2所示，那么当CPU0检测到时会针对该消息做出响应，将缓存在CPU0里的x通过Read Response消息返回给CPU1，此时x分别存储在CPU0和CPU1的高速缓存中，所以x的状态被设置为S。

然后CPU0把x变量的值修改成x=30，把自己的缓存状态设置为E，接着把修改后的值写入内存，此时x的缓存行是共享状态，同时需要发送一个Invalidate消息给其他缓存，CPU1收到该消息之后，把高速缓存中的x设置为Invalid，最终得到如下的结构：

 也许这里你会有个疑问，图3中Cache的状态应该是E还是M呢？我的理解是如果将x=30同步到内存之前就是M，同步到内存之后就是E。

根据上面的描述，我们可以看到，CPU的高速缓存导致了缓存一致性的问题，为此，CPU层面提供了总线锁和缓存锁的机制。基本思想是通过LOCK#信号触发总线锁和缓存锁，如果不支持总线锁。则会使用缓存一致性协议来保证缓存一致性协议。其目标都是为了保证同一时刻只允许一个CPU堆共享内存进行读写操作。

总结

说了这么多，那volatile到底做了什么呢？其实就是JVM看到某个变量有volatile之后，调了一下底层的Lock#指令而已。其他的都交给CPU和总线等来处理了。

说了这么多，与volatile有啥关系呢？Volatile一个关键字将上面的内容全给实现了，或者调用底层的服务来实现了。我们可以看一下，当我们对一个变量加了volatile关键字之后在不同的层次会有什么变化，具体包括：

• 代码层面： volatile关键字

• 字节码层面：ACC_VOLATILE字段访问标识符

• JVM层面：JMM要求实现为内存屏障。

• （Hospot）系统底层： 读volatile基于c++的volatile关键字，每次从主存中读取。 写volatile基于c++的volatile关键字和 lock 指令的内存屏障，每次将新值刷新到主存，同时其他cpu缓存的值失效。 C++的volatile禁止对这个变量相关的代码进行乱序优化（重排序），也就具有内存屏障的作用了。

• Linux内核也可以手动插入内存屏障：_ asm _ _ volatile _ ( " " : : : "memory" )。这样就控制CPU的执行按照的执行了。

拓展

这里补充一个概念，上面图中我们用的是缓存行而不是缓存，而且这里会引申出另外一个问题——伪共享问题，感兴趣的同学可以研究一下。