多核cpu的缓存一致性

为什么要有缓存？

再说到cpu的缓存一致性前提下，需要了解到为什么会有缓存：
众所周知，cpu是用来计算和处理数据的，本身并不存储数据，数据都是放在内存或者硬盘中，而内存与cpu之间是存在距离的，如果说cpu目前要进行一次计算，那么就需要先从内存将数据取出再进行计算，而内存和cpu是存在速度差异的，在随着现代技术的发展，嵌入到cpu上的晶体管越来越多，那么就造成了cpu的计算和处理能力越来越强，这样就更加凸显了这个弊端，cpu在一次处理中更多的时间是在等待内存中的数据到来，这样的情况是我们人类是不能容忍的（我把你创造出来就是干活的，你可不能闲着）；

在这样的需求驱动下，就需要提高cpu的利用率。思路就是在cpu和内存之间加一层缓冲（缓存，此处忽略三级缓存的差异，统称为缓存），因为cpu加载缓存中的数据比较快，所以就提高了cpu的利用率，那么现在cpu在处理数据的时候就会先从缓存中查找，找不到就去内存中找，但是这次cup从内存中不但是加载本次需要处理的数据，而且会将本次处理数据周围空间的数据也进行加载（这涉及时间局部性，空间局部性）因为cpu会觉得我下次要加载的数据肯定会在本次处理数据的周围，那么下次我就不需要再来读取内存了，直接在缓存中找就可以啦；

所以目前的架构变成了这个样子：

缓存的利和弊

现在cpu再加入了缓存之后如虎添翼，cpu的利用率大大提高了（基本实现了007）；
■ 优点：加快了cpu的处理能力，提高了cpu的利用率
■ 缺点：
● 在单核cpu的的系统中，基本是没缺点的
● 那么在多核cpu的情况下会有什么问题呢？首先需要知道一个知识点（敲黑板啦），为了避免多个cpu共用一个缓存，造成多个cpu掐架，那么给每个cpu都分配一个女朋友，不对，是分配一个缓存，各自用各自的缓存，那么就会造成一个问题：数据不一致问题；

数据不一致问题

先来看一段代码：
下面的这段代码，执行后会发现，有一定概率线程1 会一直在运行，
代码描述：
目前是开启了两个线程，那现在这两个线程各自由一个cpu所处理，而线程退出的条件是：公有变量COUNTER大于5，目前这个COUNTER值的增加是在线程2中进行的；

执行流程：

cpu1将线程1加载到自己的缓存，包括COUNTER 的值=0
cpu2将线程2加载自己的缓存，包括COUNTER 的值=0
目前因为cpu1和cpu2将数据都各自拷贝了一份到自己的缓存中，那么cpu2对COUNTER的值进行增加操作，对于cpu1是无法感知的；所以cpu1会在while 一直出不来

解决：
对于这样因为缓存不一致导致的bug，在Java层面，我们可以使用 volatile 关键字来进行解决，这种在多cpu环境下变量的可见性问题，被volatile关键字标注的变量，当此变量的值被更改后，会强制将更改后的值刷新会内存，并失效各个cpu中的缓存的变量；

package com.zy.util;import java.util.regex.Pattern;/*** @Author: hu.chen* @Description:* @DateTime: 2021/12/2 2:54 下午**/
public class Test {//    volatileprivate static int COUNTER = 0;public static void main(String[] args) {new ChangeListener().start();new ChangeMaker().start();}static class ChangeListener extends Thread {@Overridepublic void run() {int threadValue = COUNTER;while (threadValue < 5) {if (threadValue != COUNTER) {System.out.println("线程1 : " + COUNTER + "");threadValue = COUNTER;}}}}static class ChangeMaker extends Thread {@Overridepublic void run() {int threadValue = COUNTER;while (COUNTER < 5) {System.out.println("线程2 : " + (threadValue + 1) + "");COUNTER = ++threadValue;try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}

操作系统级别的缓存一致性解决方案

解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

通过在总线加LOCK#锁的方式
通过缓存一致性协议
这2种方式都是硬件层面上提供的方式

总线加lock锁：
在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。
但是这种方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下；

缓存一致性协议：
缓存一致性协议中，最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取

在MESI协议中，每个cache line有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是

状态	描述
M(Modified)	这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。
E(Exclusive)	这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中。
S(Shared)	这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多Cache中。
I(Invalid)	这行数据无效