cpu缓存一致性

cpu缓存一致性

缓存的出现：

1. 提高内存的访问速度（时间、空间局部性），指令、数据的预取

多核之后带来的缓存一致性问题，如何解决

1. 锁总线

2. MESI 协议（总线嗅探机制）+ 内存屏障

LOCK 指令（刚好可以实现上述的目标）

1. 早期：锁总线（实现，性能差）
   后期：锁缓存（实现，Ringbus + MESI协议，硬件支持，无需软件实现）
2. 内存屏障

LOCK 指令特性

1. 硬件层面提供 lfence、sfence、mfence 三个内存屏障以及一个可以实现相同效果的 lock 指令前缀
2. 一般lock都会加入读屏障，保证后续代码可以读到别的cpu核心上的未回写的缓存数据，而unlock都会加入写屏障，将所有的未回写的缓存进行回写。

内存屏障特性

1. 所有的CPU内存屏障封装都隐式包含了编译器屏障。
2. 只有内存屏障是无法保证缓存的同步的，还需要MESI一致性协议的支持

编译器屏障的作用

1. 防止编译乱序
2. 数据重新load缓存

MESI协议

1. 保证了单条指令的在缓存上的读写的一致性
2. MESI协议可以通过提供加入缓存带来的数据一致性问题，但是会带来一些性能的消耗，比如说缓存的伪共享
3. MESI是强一致性，强一致性必定会带来性能的损害

为什么有了 MESI协议 还需要 内存屏障

1. MESI是强一致性的，比如：需要等待写失效才能写入内存，所以硬件又引入了store buffer还有invalid queue，导致了有可能cpu 的乱序执行，为了禁止这种乱序执行需要加入内存屏障，但是这种乱序执行的前提是（数据之间没有依赖性）

问题：

1. 那如果当前访问的数据在寄存器上面呢

   1. 需要 用到 volatile指令，强制从缓存中读取一次数据，间接通过MESI协议能够访问到内存中的数据

2. 那如果是多条指令的顺序性呢，内存数据还在store buffer、invalid queue上面呢？

   1. 需要用到 内存屏障的指令，比如 x86 fence

总结：

1. volatile指令的作用（cpp的volatile和java的特性不一致）
   1. c++ volatile 的特性
      1. 禁止编译器的优化
      2. 禁止编译器的代码的重排序
      3. 强制从缓存中读取，失效寄存器
   2. java volatile 的特性：是基于 LOCK 指令 实现的
      1. 在cpp的特性的基础之上
      2. 实现了一个全屏障（越过cpu的乱序执行、指令重排序等，保证了数据的顺序一致性）
2. 缓存的一致性保证是通过 MESI 协议（总线嗅探机制）+ 内存屏障 实现的，因此为什么说 尽管有了 CPU有缓存一致性协议（MESI），为什么JMM还需要volatile关键字（主要是增加屏障的目的，单靠MESI协议无法保证 整体顺序的一致性）

附带：

// (java 9) hotspot/src/os_cpu/linux_x86/vm/orderAccess_linux_x86.inline.hpp
// java实现的内存屏障
inline void OrderAccess::loadload()   { compiler_barrier(); }
inline void OrderAccess::storestore() { compiler_barrier(); }
inline void OrderAccess::loadstore()  { compiler_barrier(); }
inline void OrderAccess::storeload()  { fence();            }
inline void OrderAccess::acquire()    { compiler_barrier(); }
inline void OrderAccess::release()    { compiler_barrier(); }
inline void OrderAccess::fence() {if (os::is_MP()) {// always use locked addl since mfence is sometimes expensive
#ifdef AMD64__asm__ volatile ("lock; addl 0,0(%%rsp)" : : : "cc", "memory");
#else__asm__ volatile ("lock; addl0,0(%%esp)" : : : "cc", "memory");
#endif}compiler_barrier();
}

参考

volatile也不过如此

C/C++ Volatile关键词深度剖析

既然CPU有缓存一致性协议（MESI），为什么JMM还需要volatile关键字