总线锁定与一致性缓存

Posted 2020-10-30

总线锁定和缓存一致性

这是两个操作系统层面的概念。随着多核时代的到来，并发操作已经成了很正常的现象，操作系统必须要有一些机制和原语，以保证某些基本操作的原子性，比如处理器需要保证读一个字节或写一个字节是原子的，那么它是如何实现的呢?有两种机制：总线锁定和缓存一致性。

我们知道，CPU和物理内存之间的通信速度远慢于CPU的处理速度，所以CPU有自己的内部缓存，根据一些规则将内存中的数据读取到内部缓存中来，以加快频繁读取的速度。我们假设在一台PC上只有一个CPU和一份内部缓存，那么所有进程和线程看到的数都是缓存里的数，不会存在问题;但现在服务器通常是多 CPU，更普遍的是，每块CPU里有多个内核，而每个内核都维护了自己的缓存，那么这时候多线程并发就会存在缓存不一致性，这会导致严重问题。

以 i++为例，i的初始值是0.那么在开始每块缓存都存储了i的值0，当第一块内核做i++的时候，其缓存中的值变成了1，即使马上回写到主内存，那么在回写之后第二块内核缓存中的i值依然是0，其执行i++，回写到内存就会覆盖第一块内核的操作，使得最终的结果是1，而不是预期中的2.

那么怎么解决整个问题呢?操作系统提供了总线锁定的机制。前端总线(也叫CPU总线)是所有CPU与芯片组连接的主干道，负责CPU与外界所有部件的通信，包括高速缓存、内存、北桥，其控制总线向各个部件发送控制信号、通过地址总线发送地址信号指定其要访问的部件、通过数据总线双向传输。在CPU1要做 i++操作的时候，其在总线上发出一个LOCK#信号，其他处理器就不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存，也就是阻塞了其他CPU，使该处理器可以独享此共享内存。

但我们只需要对此共享变量的操作是原子就可以了，而总线锁定把CPU和内存的通信给锁住了，使得在锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，从而开销较大，所以后来的CPU都提供了缓存一致性机制，Intel的奔腾486之后就提供了这种优化。

缓存一致性机制整体来说，是当某块CPU对缓存中的数据进行操作了之后，就通知其他CPU放弃储存在它们内部的缓存，或者从主内存中重新读取，如下图：

这里以在Intel系列中广泛使用的MESI协议详细阐述下其原理。

MESI 协议是以缓存行(缓存的基本数据单位，在Intel的CPU上一般是64字节)的几个状态来命名的(全名是Modified、Exclusive、 Share or Invalid)。该协议要求在每个缓存行上维护两个状态位，使得每个数据单位可能处于M、E、S和I这四种状态之一，各种状态含义如下：

M：被修改的。处于这一状态的数据，只在本CPU中有缓存数据，而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说，是已经被修改的，且没有更新到内存中。

E：独占的。处于这一状态的数据，只有在本CPU中有缓存，且其数据没有修改，即与内存中一致。

S：共享的。处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存，且与内存一致。

I：无效的。本CPU中的这份缓存已经无效。

这里首先介绍该协议约定的缓存上对应的监听：

一个处于M状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。

一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。

一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S。

当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取，并把自己状态变成S，如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取。

当CPU需要写数据时，只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行，否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，这是一种总线事务)，通知其他CPU置缓存无效(I)，这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为M。

所以如果一个变量在某段时间只被一个线程频繁地修改，则使用其内部缓存就完全可以办到，不涉及到总线事务，如果缓存一会被这个CPU独占、一会被那个CPU 独占，这时才会不断产生RFO指令影响到并发性能。这里说的缓存频繁被独占并不是指线程越多越容易触发，而是这里的CPU协调机制，这有点类似于有时多线程并不一定提高效率，原因是线程挂起、调度的开销比执行任务的开销还要大，这里的多CPU也是一样，如果在CPU间调度不合理，也会形成RFO指令的开销比任务开销还要大。当然，这不是编程者需要考虑的事，操作系统会有相应的内存地址的相关判断，这不在本文的讨论范围之内。

并非所有情况都会使用缓存一致性的，如被操作的数据不能被缓存在CPU内部或操作数据跨越多个缓存行(状态无法标识)，则处理器会调用总线锁定;另外当CPU不支持缓存锁定时，自然也只能用总线锁定了，比如说奔腾486以及更老的CPU。