产生线程安全的原因（1）（操作系统）

首先了解cpu 告诉缓存问题和架构

这是Ulrich Drepper写“程序员都该知道存储器”的第二部。那些没有读过第一部 的读者可能希望从这一部开始。这本书写的非常好，并且感谢Ulrich授权我们出版。

现在的CPU比25年前要精密得多了。在那个年代，CPU的频率与内存总线的频率基本在同一层面上。内存的访问速度仅比寄存器慢那么一点点。但是，这一局面在上世纪90年代被打破了。CPU的频率大大提升，但内存总线的频率与内存芯片的性能却没有得到成比例的提升。并不是因为造不出更快的内存，只是因为太贵了。内存如果要达到目前CPU那样的速度，那么它的造价恐怕要贵上好几个数量级。

如果有两个选项让你选择，一个是速度非常快、但容量很小的内存，一个是速度还算快、但容量很多的内存，如果你的工作集比较大，超过了前一种情况，那么人们总是会选择第二个选项。原因在于辅存(一般为磁盘)的速度。由于工作集超过主存，那么必须用辅存来保存交换出去的那部分数据，而辅存的速度往往要比主存慢上好几个数量级。

好在这问题也并不全然是非甲即乙的选择。在配置大量DRAM的同时，我们还可以配置少量SRAM。将地址空间的某个部分划给SRAM，剩下的部分划给DRAM。一般来说，SRAM可以当作扩展的寄存器来使用。

上面的做法看起来似乎可以，但实际上并不可行。首先，将SRAM内存映射到进程的虚拟地址空间就是个非常复杂的工作，而且，在这种做法中，每个进程都需要管理这个SRAM区内存的分配。每个进程可能有大小完全不同的SRAM区，而组成程序的每个模块也需要索取属于自身的SRAM，更引入了额外的同步需求。简而言之，快速内存带来的好处完全被额外的管理开销给抵消了。基于以上的原因，我们不将SRAM放在OS或用户的控制下，而是将它交由处理器来使用和管理。在这种模式下，SRAM用于对存储在主存中、即将使用的数据进行临时拷贝(换句话说，缓存)。这种做法的依据是程序代码和数据具有时间局部性和空间局部性。也就是说，在一段较短的时间内，同一份代码和数据有很大的可能被重复使用。对代码来说，是循环，即同一段代码被反复执行(完美的 空间局部性)。对数据来说，是反复访问某一小片区域中的数据。即使在短时间内对内存的访问并不连续，但仍有很大可能在不长的时间内重复访问同一份数据( 空间局部性)。这两个局部性是我们理解CPU高速缓存的关键。

我们先用一个简单的计算来展示一下高速缓存的效率。假设，访问主存需要200个周期，而访问高速缓存需要15个周期。如果使用100个数据元素100次，那么在没有高速缓存的情况下，需要2000000个周期，而在有高速缓存、而且所有数据都已被缓存的情况下，只需要168500个周期。节约了91.5%的时间。

用作高速缓存的SRAM容量比主存小得多。以我的经验来说，高速缓存的大小一般是主存的千分之一左右(目前一般是4GB主存、4MB缓存)。这一点本身并不是什么问题。只是，计算机一般都会有比较大的主存，因此工作集的大小总是会大于缓存。特别是那些运行多进程的系统，它的工作集大小是所有进程加上内核的总和。

处理高速缓存大小的限制需要制定一套很好的策略来决定在给定的时间内什么数据应该被缓存。由于不是所有数据的工作集都是在完全相同的时间段内被使用的，我们可以用一些技术手段将需要用到的数据临时替换那些当前并未使用的缓存数据。这种预取将会减少部分访问主存的成本，因为它与程序的执行是异步的。所有的这些技术将会使高速缓存在使用的时候看起来比实际更大。我们将在3.3节讨论这些问题。我们将在第6章讨论如何让这些技术能很好地帮助程序员，让处理器更高效地工作。

3.1 高速缓存的位置

在深入介绍高速缓存的技术细节之前，有必要说明一下它在现代计算机系统中所处的位置。

图3.1展示了最简单的高速缓存配置。早期的一些系统就是类似的架构。在这种架构中，CPU核心不再直连到主存。{在一些更早的系统中，高速缓存像CPU与主存一样连到系统总线上。那种做法更像是一种hack，而不是真正的解决方案。}数据的读取和存储都经过高速缓存。CPU核心与高速缓存之间是一条特殊的快速通道。在简化的表示法中，主存与高速缓存都连到系统总线上，这条总线同时还用于与其它组件通信。我们管这条总线叫“FSB”——就是现在称呼它的术语，参见第2.2节。在这一节里，我们将忽略北桥。

在过去的几十年，经验表明使用了冯诺伊曼结构的计算机，将用于代码和数据的高速缓存分开是存在巨大优势的。自1993年以来，Intel 并且一直坚持使用独立的代码和数据高速缓存。由于所需的代码和数据的内存区域是几乎相互独立的，这就是为什么独立缓存工作得更完美的原因。近年来，独立缓存的另一个优势慢慢显现出来：常见处理器解码指令的步骤是缓慢的，尤其当管线为空的时候，往往会伴随着错误的预测或无法预测的分支的出现，将高速缓存技术用于指令解码可以加快其执行速度。

在高速缓存出现后不久，系统变得更加复杂。高速缓存与主存之间的速度差异进一步拉大，直到加入了另一级缓存。新加入的这一级缓存比第一级缓存更大，但是更慢。由于加大一级缓存的做法从经济上考虑是行不通的，所以有了二级缓存，甚至现在的有些系统拥有三级缓存，如图3.2所示。随着单个CPU中核数的增加，未来甚至可能会出现更多层级的缓存。

图3.2展示了三级缓存，并介绍了本文将使用的一些术语。L1d是一级数据缓存，L1i是一级指令缓存，等等。请注意，这只是示意图，真正的数据流并不需要流经上级缓存。CPU的设计者们在设计高速缓存的接口时拥有很大的自由。而程序员是看不到这些设计选项的。

另外，我们有多核CPU，每个核心可以有多个“线程”。核心与线程的不同之处在于，核心拥有独立的硬件资源({早期的多核CPU甚至有独立的二级缓存。})。在不同时使用相同资源(比如，通往外界的连接)的情况下，核心可以完全独立地运行。而线程只是共享资源。Intel的线程只有独立的寄存器，而且还有限制——不是所有寄存器都独立，有些是共享的。综上，现代CPU的结构就像图3.3所示。

在上图中，有两个处理器，每个处理器有两个核心，每个核心有两个线程。线程们共享一级缓存。核心(以深灰色表示)有独立的一级缓存，同时共享二级缓存。处理器(淡灰色)之间不共享任何缓存。这些信息很重要，特别是在讨论多进程和多线程情况下缓存的影响时尤为重要。

3.2 高级的缓存操作

了解成本和节约使用缓存，我们必须结合在第二节中讲到的关于计算机体系结构和RAM技术，以及前一节讲到的缓存描述来探讨。

默认情况下，CPU核心所有的数据的读或写都存储在缓存中。当然，也有内存区域不能被缓存的，但是这种情况只发生在操作系统的实现者对数据考虑的前提下；对程序实现者来说，这是不可见的。这也说明，程序设计者可以故意绕过某些缓存，不过这将是第六节中讨论的内容了。

如果CPU需要访问某个字(word)，先检索缓存。很显然，缓存不可能容纳主存所有内容(否则还需要主存干嘛)。系统用字的内存地址来对缓存条目进行标记。如果需要读写某个地址的字，那么根据标签来检索缓存即可。这里用到的地址可以是虚拟地址，也可以是物理地址，取决于缓存的具体实现。

标签是需要额外空间的，用字作为缓存的粒度显然毫无效率。比如，在x86机器上，32位字的标签可能需要32位，甚至更长。另一方面，由于空间局部性的存在，与当前地址相邻的地址有很大可能会被一起访问。再回忆下2.2.1节——内存模块在传输位于同一行上的多份数据时，由于不需要发送新CAS信号，甚至不需要发送RAS信号，因此可以实现很高的效率。基于以上的原因，缓存条目并不存储单个字，而是存储若干连续字组成的“线”。在早期的缓存中，线长是32字节，现在一般是64字节。对于64位宽的内存总线，每条线需要8次传输。而DDR对于这种传输模式的支持更为高效。

当处理器需要内存中的某块数据时，整条缓存线被装入L1d。缓存线的地址通过对内存地址进行掩码操作生成。对于64字节的缓存线，是将低6位置0。这些被丢弃的位作为线内偏移量。其它的位作为标签，并用于在缓存内定位。在实践中，我们将地址分为三个部分。32位地址的情况如下:

如果缓存线长度为2^O，那么地址的低O位用作线内偏移量。上面的S位选择“缓存集”。后面我们会说明使用缓存集的原因。现在只需要明白一共有2^S个缓存集就够了。剩下的32 – S – O = T位组成标签。它们用来区分别名相同的各条线{有相同S部分的缓存线被称为有相同的别名。}用于定位缓存集的S部分不需要存储，因为属于同一缓存集的所有线的S部分都是相同的。

当某条指令修改内存时，仍然要先装入缓存线，因为任何指令都不可能同时修改整条线(只有一个例外——第6.1节中将会介绍的写合并(write-combine))。因此需要在写操作前先把缓存线装载进来。如果缓存线被写入，但还没有写回主存，那就是所谓的“脏了”。脏了的线一旦写回主存，脏标记即被清除。

为了装入新数据，基本上总是要先在缓存中清理出位置。L1d将内容逐出L1d，推入L2(线长相同)。当然，L2也需要清理位置。于是L2将内容推入L3，最后L3将它推入主存。这种逐出操作一级比一级昂贵。这里所说的是现代AMD和VIA处理器所采用的独占型缓存(exclusive cache)。而Intel采用的是包容型缓存(inclusive cache)，{并不完全正确，Intel有些缓存是独占型的，还有一些缓存具有独占型缓存的特点。}L1d的每条线同时存在于L2里。对这种缓存，逐出操作就很快了。如果有足够L2，对于相同内容存在不同地方造成内存浪费的缺点可以降到最低，而且在逐出时非常有利。而独占型缓存在装载新数据时只需要操作L1d，不需要碰L2，因此会比较快。

处理器体系结构中定义的作为存储器的模型只要还没有改变，那就允许多CPU按照自己的方式来管理高速缓存。这表示，例如，设计优良的处理器，利用很少或根本没有内存总线活动，并主动写回主内存脏高速缓存行。这种高速缓存架构在如x86和x86-64各种各样的处理器间存在。制造商之间，即使在同一制造商生产的产品中，证明了的内存模型抽象的力量。

在对称多处理器（SMP）架构的系统中，CPU的高速缓存不能独立的工作。在任何时候，所有的处理器都应该拥有相同的内存内容。保证这样的统一的内存视图被称为“高速缓存一致性”。如果在其自己的高速缓存和主内存间，处理器设计简单，它将不会看到在其他处理器上的脏高速缓存行的内容。从一个处理器直接访问另一个处理器的高速缓存这种模型设计代价将是非常昂贵的，它是一个相当大的瓶颈。相反，当另一个处理器要读取或写入到高速缓存线上时，处理器会去检测。

如果CPU检测到一个写访问，而且该CPU的cache中已经缓存了一个cache line的原始副本，那么这个cache line将被标记为无效的cache line。接下来在引用这个cache line之前，需要重新加载该cache line。需要注意的是读访问并不会导致cache line被标记为无效的。

更精确的cache实现需要考虑到其他更多的可能性，比如第二个CPU在读或者写他的cache line时，发现该cache line在第一个CPU的cache中被标记为脏数据了，此时我们就需要做进一步的处理。在这种情况下，主存储器已经失效，第二个CPU需要读取第一个CPU的cache line。通过测试，我们知道在这种情况下第一个CPU会将自己的cache line数据自动发送给第二个CPU。这种操作是绕过主存储器的，但是有时候存储控制器是可以直接将第一个CPU中的cache line数据存储到主存储器中。对第一个CPU的cache的写访问会导致本地cache line的所有拷贝被标记为无效。

随着时间的推移，一大批缓存一致性协议已经建立。其中，最重要的是MESI,我们将在第3.3.4节进行介绍。以上结论可以概括为几个简单的规则:

一个脏缓存线不存在于任何其他处理器的缓存之中。
同一缓存线中的干净拷贝可以驻留在任意多个其他缓存之中。

如果遵守这些规则,处理器甚至可以在多处理器系统中更加有效的使用它们的缓存。所有的处理器需要做的就是监控其他每一个写访问和比较本地缓存中的地址。在下一节中,我们将介绍更多细节方面的实现,尤其是存储开销方面的细节。

最后，我们至少应该关注高速缓存命中或未命中带来的消耗。下面是英特尔奔腾 M 的数据：

这是在CPU周期中的实际访问时间。有趣的是，对于L2高速缓存的访问时间很大一部分（甚至是大部分）是由线路的延迟引起的。这是一个限制，增加高速缓存的大小变得更糟。只有当减小时（例如，从60纳米的Merom到45纳米Penryn处理器），可以提高这些数据。

表格中的数字看起来很高，但是，幸运的是，整个成本不必须负担每次出现的缓存加载和缓存失效。某些部分的成本可以被隐藏。现在的处理器都使用不同长度的内部管道，在管道内指令被解码，并为准备执行。如果数据要传送到一个寄存器，那么部分的准备工作是从存储器（或高速缓存）加载数据。如果内存加载操作在管道中足够早的进行，它可以与其他操作并行发生，那么加载的全部发销可能会被隐藏。对L1D常常可能如此；某些有长管道的处理器的L2也可以。

提早启动内存的读取有许多障碍。它可能只是简单的不具有足够资源供内存访问，或者地址从另一个指令获取，然后加载的最终地址才变得可用。在这种情况下，加载成本是不能隐藏的（完全的）。

对于写操作，CPU并不需要等待数据被安全地放入内存。只要指令具有类似的效果，就没有什么东西可以阻止CPU走捷径了。它可以早早地执行下一条指令，甚至可以在影子寄存器(shadow register)的帮助下，更改这个写操作将要存储的数据。

图3.4展示了缓存的效果。关于产生图中数据的程序，我们会在稍后讨论。这里大致说下，这个程序是连续随机地访问某块大小可配的内存区域。每个数据项的大小是固定的。数据项的多少取决于选择的工作集大小。Y轴表示处理每个元素平均需要多少个CPU周期，注意它是对数刻度。X轴也是同样，工作集的大小都以2的n次方表示。

图中有三个比较明显的不同阶段。很正常，这个处理器有L1d和L2，没有L3。根据经验可以推测出，L1d有2¹³字节，而L2有2²⁰字节。因为，如果整个工作集都可以放入L1d，那么只需不到10个周期就可以完成操作。如果工作集超过L1d，处理器不得不从L2获取数据，于是时间飘升到28个周期左右。如果工作集更大，超过了L2，那么时间进一步暴涨到480个周期以上。这时候，许多操作将不得不从主存中获取数据。更糟糕的是，如果修改了数据，还需要将这些脏了的缓存线写回内存。

看了这个图，大家应该会有足够的动力去检查代码、改进缓存的利用方式了吧？这里的性能改善可不只是微不足道的几个百分点，而是几个数量级呀。在第6节中，我们将介绍一些编写高效代码的技巧。而下一节将进一步深入缓存的设计。虽然精彩，但并不是必修课，大家可以选择性地跳过。

3.3 CPU 缓存实现细节

高速缓存的实现者遇到这样的难题：巨大的主内存中每一个单元都潜在的需要缓存。如果程序的工作集足够大，这意味着很多主内存单元竞争高速缓存的每一个地方。先前有过提示，主存和高速缓存的大小比是1000：1，这是不常见的。

3.3.1 关联性

可以这样实现一个高速缓存，每个高速缓存段（高速缓存行：cache line）都可以容纳任何内存位置的一个副本。这就是所谓的全关联。要访问一个缓存段，处理器核心不得不用所有缓存段的标签和请求地址的标签一一做比较。标签将包含除去缓存段的偏移量全部的地址，（译注：也就是去除3.2节中图的O）（这意味着，S在3.2节的图中是零）

高速缓存有类似这样的实现，但是，看看在今天使用的L2的数目，表明这是不切实际的。给定4MB的高速缓存和64B的高速缓存段，高速缓存将有65,536个项。为了达到足够的性能，缓存逻辑必须能够在短短的几个时钟周期内，从所有这些项中，挑一个匹配给定的标签。实现这一点的工作将是巨大的。

对于每个高速缓存行，比较器是需要比较大标签（注意，S是零）。每个连接旁边的字母表示位的宽度。如果没有给出，它是一个单比特线。每个比较器都要比较两个T-位宽的值。然后，基于该结果，适当的高速缓存行的内容被选中，并使其可用。这需要合并多套O数据线，因为他们是缓存桶（译注：这里类似把O输出接入多选器，所以需要合并）。实现仅仅一个比较器，需要晶体管的数量就非常大，特别是因为它必须非常快。没有迭代比较器是可用的。节省比较器的数目的唯一途径是通过反复比较标签，以减少它们的数目。这是不适合的，出于同样的原因，迭代比较器不可用：它的时间太长。

全关联高速缓存对小缓存是实用的（例如，在某些Intel处理器的TLB缓存是全关联的），但这些缓存都很小，非常小的。我们正在谈论的最多几十项。

对于L1i，L1d和更高级别的缓存，需要采用不同的方法。可以做的就是是限制搜索。最极端的限制是，每个标签映射到一个明确的缓存条目。计算很简单：给定的4MB/64B缓存有65536项，我们可以使用地址的bit6到bit21（16位）来直接寻址高速缓存的每一个项。地址的低6位作为高速缓存段的索引。

在图3.6中可以看出，这种直接映射的高速缓存，速度快，比较容易实现。它只是需要一个比较器，一个多路复用器（在这个图中有两个，标记和数据是分离的，但是对于设计这不是一个硬性要求），和一些逻辑来选择只是有效的高速缓存行的内容。由于速度的要求，比较器是复杂的，但是现在只需要一个，结果是可以花更多的精力，让其变得快速。这种方法的复杂性在于在多路复用器。一个简单的多路转换器中的晶体管的数量增速是O（log N）的，其中N是高速缓存段的数目。这是可以容忍的，但可能会很慢，在某种情况下，速度可提升，通过增加多路复用器晶体管数量，来并行化的一些工作和自身增速。晶体管的总数只是随着快速增长的高速缓存缓慢的增加，这使得这种解决方案非常有吸引力。但它有一个缺点：只有用于直接映射地址的相关的地址位均匀分布，程序才能很好工作。如果分布的不均匀，而且这是常态，一些缓存项频繁的使用，并因此多次被换出，而另一些则几乎不被使用或一直是空的。

可以通过使高速缓存的组关联来解决此问题。组关联结合高速缓存的全关联和直接映射高速缓存特点，在很大程度上避免那些设计的弱点。图3.7显示了一个组关联高速缓存的设计。标签和数据存储分成不同的组并可以通过地址选择。这类似直接映射高速缓存。但是，小数目的值可以在同一个高速缓存组缓存，而不是一个缓存组只有一个元素，用于在高速缓存中的每个设定值是相同的一组值的缓存。所有组的成员的标签可以并行比较，这类似全关联缓存的功能。

其结果是高速缓存，不容易被不幸或故意选择同属同一组编号的地址所击败，同时高速缓存的大小并不限于由比较器的数目，可以以并行的方式实现。如果高速缓存增长，只（在该图中）增加列的数目，而不增加行数。只有高速缓存之间的关联性增加，行数才会增加。今天，处理器的L2高速缓存或更高的高速缓存，使用的关联性高达16。 L1高速缓存通常使用8。

给定我们4MB/64B高速缓存，8路组关联，相关的缓存留给我们的有8192组，只用标签的13位，就可以寻址缓集。要确定哪些（如果有的话）的缓存组设置中的条目包含寻址的高速缓存行，8个标签都要进行比较。在很短的时间内做出来是可行的。通过一个实验，我们可以看到，这是有意义的。

表3.1显示一个程序在改变缓存大小，缓存段大小和关联集大小，L2高速缓存的缓存失效数量（根据Linux内核相关的方面人的说法，GCC在这种情况下，是他们所有中最重要的标尺）。在7.2节中，我们将介绍工具来模拟此测试要求的高速缓存。

万一这还不是很明显，所有这些值之间的关系是高速缓存的大小为：

地址被映射到高速缓存使用

在第3.2节中的图显示的方式。

图3.8表中的数据更易于理解。它显示一个固定的32个字节大小的高速缓存行的数据。对于一个给定的高速缓存大小，我们可以看出，关联性，的确可以帮助明显减少高速缓存未命中的数量。对于8MB的缓存，从直接映射到2路组相联，可以减少近44％的高速缓存未命中。组相联高速缓存和直接映射缓存相比，该处理器可以把更多的工作集保持在缓存中。

在文献中，偶尔可以读到，引入关联性，和加倍高速缓存的大小具有相同的效果。在从4M缓存跃升到8MB缓存的极端的情况下，这是正确的。关联性再提高一倍那就肯定不正确啦。正如我们所看到的数据，后面的收益要小得多。我们不应该完全低估它的效果，虽然。在示例程序中的内存使用的峰值是5.6M。因此，具有8MB缓存不太可能有很多（两个以上）使用相同的高速缓存的组。从较小的缓存的关联性的巨大收益可以看出，较大工作集可以节省更多。

在一般情况下，增加8以上的高速缓存之间的关联性似乎对只有一个单线程工作量影响不大。随着介绍一个使用共享L2的多核处理器，形势发生了变化。现在你基本上有两个程序命中相同的缓存，实际上导致高速缓存减半（对于四核处理器是1/4）。因此，可以预期，随着核的数目的增加，共享高速缓存的相关性也应增长。一旦这种方法不再可行（16 路组关联性已经很难）处理器设计者不得不开始使用共享的三级高速缓存和更高级别的，而L2高速缓存只被核的一个子集共享。

从图3.8中，我们还可以研究缓存大小对性能的影响。这一数据需要了解工作集的大小才能进行解读。很显然，与主存相同的缓存比小缓存能产生更好的结果，因此，缓存通常是越大越好。

上文已经说过，示例中最大的工作集为5.6M。它并没有给出最佳缓存大小值，但我们可以估算出来。问题主要在于内存的使用并不连续，因此，即使是16M的缓存，在处理5.6M的工作集时也会出现冲突(参见2路集合关联式16MB缓存vs直接映射式缓存的优点)。不管怎样，我们可以有把握地说，在同样5.6M的负载下，缓存从16MB升到32MB基本已没有多少提高的余地。但是，工作集是会变的。如果工作集不断增大，缓存也需要随之增大。在购买计算机时，如果需要选择缓存大小，一定要先衡量工作集的大小。原因可以参见图3.10。

我们执行两项测试。第一项测试是按顺序地访问所有元素。测试程序循着指针n进行访问，而所有元素是链接在一起的，从而使它们的被访问顺序与在内存中排布的顺序一致，如图3.9的下半部分所示，末尾的元素有一个指向首元素的引用。而第二项测试(见图3.9的上半部分)则是按随机顺序访问所有元素。在上述两个测试中，所有元素都构成一个单向循环链表。

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