Java 并发MESI缓存一致性协议

Posted 2023-03-28 酷酷

1  前言

上节我们看了一下线程安全的原子性、有序性、可见性，这节我们回到CPU多级缓存的问题，就是各个缓存中一致性的问题，这节我们就来看一下MESI一致性协议。

2  MESI缓存一致性协议

MESI协议也叫做缓存一致性协议，主要是用来进行协调多核CPU的高级缓存的数据一致的。

MESI一致性协议定义了高速缓存中数据的4种状态：

• M（Modified）: 修改过的，只有一个CPU能独占这个修改状态，独占的意思是当有一个CPU的高速缓存数据处于这个状态的时候，其它CPU的高速缓存对这个共享的数据均不能操作；此时高速缓存中的数据发生了更新，需要被刷入主内存中。
• E（Exclusive）: 独占状态，只有一个CPU能独占这个状态，同样当某个CPU的高速缓存的数据处于这个状态的时候，其它CPU的均不能操作这个共享数据。
• S（Share）：共享的状态，当CPU的高速缓存中的数据这个状态的时候，各个CPU可以并发的对这个数据进行读取。
• I（Invalid）：无效的，意思是当前高速缓存的这个数据已经是无效了或者过期了，不能使用。

3  问题示例

为了大家更好的理解一致性协议，我们先来看个问题：

（1）看下面的图，假如两个CPU0、CPU1同时将 i = 0 读取进入自己的高速缓存

（2）然后CPU0执行得比较快，执行完 i++操作之后将 i=1 的结果刷回主存了

（3）但是CPU1并不知道数据已经变更了，还是使用 i=0 的结果去进行 i++ 操作

（4）本来正确的结果应该是i = 2 的，结果执行了两次i++，结果却是1

造成上面数据不一致的原因主要是因为，CPU0修改了数据之后，没有机制能够通知到CPU1，让它高速缓存上这个变量的数据失效掉，导致CPU1计算的时候还是使用旧的值。

所以要解决多核CPU的高速缓存数据一致性的问题，必须有个机制能够某个CPU0修改了数据之后，立即通知的CPU1，让CPU1的高速缓存上的这个变量数据失效掉；然后CPU1用到的时候重新重从主内存读取最新的值，这样就能得到最新的结果了。

MESI实现的缓存一致性协议，正是CPU0修改了数据，通知到CPU1的那套通知机制的一种规范，计算机厂商根据这套规范实现了这种通知机制，但是不同的厂商之间实现方式可能稍微不同

那么接下来我们看看MESI这四种状态是怎么来解决多核CPU高速缓存数据一致的？

（1）首先像下面的图一样，CPU0、CPU1将共享变量 i = 0 读取，进入自己高速缓存的时候；缓存的状态是S，也就是共享的。

（2）然后CPU0要对 i = 0 的变量进行修改操作，在MESI一致性里面大概会经过这些步骤：

1.  CPU0发送消息给总线，说我要修改数据了，让总线通知一些其它的CPU
2.  其它的CPU收到通知消息，将自己高速缓存上 i = 0 的数据状态变为Invalid过期
3.  其它CPU将自己本地的 i=0 的高速缓存状态变为过期，返回我们都完成过期了操作了
4.  总线收到其它CPU返回过期OK了
5.  总线返回给CPU0说，好了，其它CPU都通知到位了，它们高速缓存上的 i = 0的数据都是过期状态了
6.  CPU0收到了过期确认，都过期了那我就可以独占这份数据了，准备可以修改数据，然后就设置自己高速缓存的状态为 E ，表示其它CPU的高速缓存都过期了自己可以独占了
7.  CPU0执行i++操作，将 i=1 的最新结果刷入到高速缓存中，同时将高速缓存的数据状态设为 M（修改过的）
8.  然后后将高速缓存中 i=1 的最新结果又刷入主内存中
   
9.  CPU1发现自己高速缓存上 i = 0 的数据是 Invalid 过期状态，于是从主存重新读取
10.  然后CPU1从主内存读取到 i = 1 的最新的数据，将自己状态设置成 S（共享）

 

上面就是MESI一致性协议在多核CPU之间进行协调的原理。

不知道大家还记得上节我们说可见性的时候，多个工作内存之间共享变量x的副本，可能数据不一致，这个数据不一致的可见性问题在JMM层次是怎么解决的？

其实Java内存模型建立在多核CPU高速缓存之上对不对，那JAVA内存模型对应到底层肯定也是操作主内存、操作高速缓存来操作数据的，既然多核CPU的缓存一致性又是通过MESI协议来达到一致性的。所以啊，JAVA内存模型底层其实也还是通过MESI一致性来使得一个线程修改了数据，把别的线程的工作内存副本数据弄失效的。 

4  小结

本节我们讲了一下MESI在多级缓存中的作用以及原理，有理解不对的地方欢迎指正哈。