CPU缓存一致性问题

什么是可见性问题？

Further Reading ：什么是可见性问题？
缓存一致性 内存一致性 内存可见性 顺序一致性区别

CPU缓存一致性问题

由于CPU缓存的出现，很好地解决了处理器与内存速度之间的矛盾，极大地提高了CPU的吞吐能力，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，它引入了一个新的问题： 缓存一致性（Cache Coherence） 。

比如：多路处理器系统中， i++ 这个操作，在程序的运行过程中，首先需要将主内存中的数据复制一份存放到CPU Cache中，那么CPU寄存器在进行数值计算的时候就直接到Cache中读取和写入，当整个过程运算结束之后再将Cache中的数据刷新到主存当中。
具体过程如下。
1）读取主内存的i到CPU Cache中。
2）对i进行加一操作。
3）将结果写回到CPU Cache中。
4）将数据刷新到主内存中。
i++在单线程的情况下不会出现任何问题，但是在多线程的情况下就会有问题。

每个线程都有自己的工作内存（本地内存，对应于CPU中的Cache），变量i会在多个线程的本地内存中都存在一个副本。如果同时有两个线程执行i++操作，假设i的初始值为0，每一个线程都从主内存中获取i的值存入CPU Cache中，然后经过计算再写入主内存中，很有可能i在经过了两次自增之后结果还是1，这就是 典型的缓存不一致性问题。

PS：多路处理器系统，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），这种系统称为共享内存多核系统（Shared Memory Multiprocessors System）
-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）作者：周志明

为了解决缓存不一致性问题，通常主流的解决方法有如下两种。

1、通过 总线加锁 的方式

第一种方式常见于早期的CPU当中，而且是一种悲观的实现方式，从而使得只有一个CPU（抢到总线锁）能够访问这个变量的内存。这种方式效率低下，所以就有了第二种通过缓存一致性协议的方式来解决不一致的问题。
Further Reading ：处理器总线的工作机制

2、通过 缓存一致性协议的方式

在缓存一致性协议中最为出名的是Intel的 MESI 协议，MESI协议保证了每一个缓存中使用的共享变量副本都是一致的。它的大致思想是， 当CPU在操作Cache中的数据时，如果发现该变量是一个共享变量，那么进行如下操作：
1、读取操作，不做任何处理，只是将Cache中的数据读取到寄存器。
2、写入操作，发出信号通知其他CPU将该变量的Cache line置为无效状态，其他CPU在进行该变量读取的时候不得不到主内存中再次获取。

协议是规则，光说不做，MESI就是它的一个实现

-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：Java高并发编程详解：多线程与架构设计 作者：汪文君