CPU处理器在处理速度上,远胜于内存,主内存执行一次内存的读写操作,所需要的时间足够处理器去处理上百条指令。
为了弥补处理器与主内存处理能力之间的差距,CPU引入了高级缓存。CPU去主内存拉取数据后,会将数据存储到CPU的高级缓存中,下次如果还涉及到操作这个数据,直接从CPU高速缓存中获取即可,避免了长时间的和主内存操作,对CPU带来的性能损耗。
随着硬件能力不断的提升,现在的CPU都是多核的,而每个CPU内核都有自己的高速缓存。如果主内存中的同一个数据,被多个CPU内核缓存了,如果其中一个内核修改了数据,另一个内核不知道!造成了数据的不一致性。
数据在高速缓存中不是以独立项来存储的,他的数据都存储在缓存行中,CacheLine。缓存行是CPU高速缓存的最小存储单位。
目前主流的CPU缓存的缓存行通常是64字节。
比如剖析开高速缓存,里面就是多个缓存行组成滴。
比如Java中一个long类型是8字节,一个缓存行最多就可以缓存8个Long类型数据。
并不是所有的CPU都基于MESI协议去制作CPU,但是主流的CPU大多都是基于MESI协议来解决缓存一致性问题的。
M:modify修改了
表示缓存行数据被修改了,并且没有同步到主内存。而且这个数据是当前CPU独占的,其他CPU内核的缓存没有这个数据。
这个状态数据没有安全问题。
E:exclusive独占
表示缓存行数据是独占的,并且这个数据没有被修改,和主内存的数据是一致的。
这个状态数据没有安全问题。
S:shared共享
表示缓存行数据是共享的,这个数据被多个CPU缓存在缓存行中。并且都与内存中的值是一致的。
这个状态数据没有安全问题。
I:invalid无效
表示缓存行的数据是无效的,如果需要使用这个数据,需要重新去主内存拉取(那边同步完)。
MESI协议对不同的状态增加了不同的 监听任务
核心其实在于第一点和第二点。
第一点:可以避免其他线程读取到主内存的脏数据。
第二点:可以将缓存不一致的情况的缓存行设值为无效。
写缓冲器(StoreBuffer,WriteBuffer)是处理器内部一个容量比L1还笑的一个高速缓存组件,每个CPU内核都有自己的Store Buffer。一些写操作,不会直接执行落到L1缓存上,而是先落到StoreBuffer上,这样CPU可以省去等待响应的时间,减少写操作的延迟,提升CPU的效率。但是这种情况会影响到MESI协议的触发,导致其他缓存行应当变为I状态,但是因为StoreBuffer数据还没落到L1,导致无法触发。
无效化队列(Invalidate Queue),这个东西是处理Invalidate消息的。这个Queue是做优化滴,需要将invalid处理广播给其他的CPU,并且其他CPU需要返回一个response,大量的广播消息需要一定时间的等待response。CPU在做广播时,会将invalid消息扔到无效化队列中,不需要直接响应response消息了,减少了写操作消耗的时间。
上述两种对CPU写操作的优化,会导致MESI协议触发存在延迟甚至无法触发的问题。在CPU层面为了解决这个问题,就需要一个指令,那就是lock指令。
lock前缀指令 期间的写操作,会立即写回主内存,那CPU的高速缓存必然也要写回去,必然会触发MESI协议,让其他缓存行将状态同步。
CPU的一条指令必然是原子性的。
但是一些其他程序的操作,到了咱们CPU执行层面上,可能会有多个指令。就比如i++,在CPU层面是三条指令:
但是对于修改数据而言,还是会因为多核CPU并行处理,导致一些数据安全问题,所以CPU也需要保证原子性的一些操作。就比如CAS指令,这个是CPU支持的原语。
but,CPU支持一个指令叫做cmpxchg,也就是CAS操作,在多核情况下,如果没有保证多核之间的原子性,会导致cmpxchg操作,存在数据安全问题。
So,在多核CPU下,执行cmpxchg指令时,会在前面甩一个lock指令,来保证多核CPU的原子性。
lock指令类似CPU中的锁操作,并且锁操作的粒度有两种。
Lock前缀指令 在Intel官方的一些文档信息:https://www.felixcloutier.com/x86/lock
首先要请求,CPU本身会在一定规则下,对一些指令进行重新排序。
比如as-if-serial原则,保证单线程的程序结果不变的情况下,随便重排序。重新排序的目的是为了提升CPU的执行效率,合理的利用CPU的等待时间。
在多核CPU的情况下,因为多核CPU上的指令存在同时指定的情况,如果涉及到临界资源的修改,这种指令重排序会影响多线程运行结果的准确性。
内存屏障(Memory Barrier/Memory fence)是硬件层面提供的一些列的特殊指令,当CPU处理到这些指令时,会做一些特殊的处理,来规避重排序带来的问题。
在×86平台提供了几种比较主要的内存屏障:
https://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html
mfence最终依然是 lock前缀指令 。
JMM(Java Memory Model)Java内存模型是一个语言级别的内存模型抽象,他屏蔽了底层硬件实现内存一致性需求的差异,提供了对上层的统一的接口来保证内存一致性的编程能力。
Java作为一个跨平台的语言,Java内存模型就是一个中间层模式。他适配不同的底层硬件系统,设计中间层模型来做屏蔽。
任意语言编写出来而定程序,最终都会转换为机器指令,按照一定的顺序去执行,所以在语言层面来讲,都是基于硬件层面提供的一致性模型的基础上,来实现自身语言的功能和特性。
经过前面对CPU的分析: