Java多線程裏總線鎖定和緩存一致性的問題

隨着多核時代的到來，併發操做已經成了很正常的現象，操做系統必需要有一些機制和原語，以保證某些基本操做的原子性，好比處理器須要保證讀一個字節或寫一個字節是原子的，那麼它是如何實現的呢?有兩種機制：總線鎖定和緩存一致性。下面，尚學堂陳老師簡單爲你們分享總線鎖定和緩存一致性的問題。
咱們知道，CPU和物理內存之間的通訊速度遠慢於CPU的處理速度，因此CPU有本身的內部緩存，根據一些規則將內存中的數據讀取到內部緩存中來，以加快頻繁讀取的速度。咱們假設在一臺PC上只有一個CPU和一分內部緩存，那麼全部進程和線程看到的數都是緩存裏的數，不會存在問題;但如今服務器一般是多 CPU，更廣泛的是，每塊CPU裏有多個內核，而每一個內核都維護了本身的緩存，那麼這時候多線程併發就會存在緩存不一致性，這會致使嚴重問題。
以 i++爲例，i的初始值是0.那麼在開始每塊緩存都存儲了i的值0，當第一塊內核作i++的時候，其緩存中的值變成了1，即便立刻回寫到主內存，那麼在回寫以後第二塊內核緩存中的i值依然是0，其執行i++，回寫到內存就會覆蓋第一塊內核的操做，使得最終的結果是1，而不是預期中的2.

那麼怎麼解決整個問題呢?操做系統提供了總線鎖定的機制。前端總線(也叫CPU總線)是全部CPU與芯片組鏈接的主幹道，負責CPU與外界全部部件的通訊，包括高速緩存、內存、北橋，其控制總線向各個部件發送控制信號、經過地址總線發送地址信號指定其要訪問的部件、經過數據總線雙向傳輸。在CPU1要作 i++操做的時候，其在總線上發出一個LOCK#信號，其餘處理器就不能操做緩存了該共享變量內存地址的緩存，也就是阻塞了其餘CPU，使該處理器能夠獨享此共享內存。
但咱們只須要對此共享變量的操做是原子就能夠了，而總線鎖定把CPU和內存的通訊給鎖住了，使得在鎖按期間，其餘處理器不能操做其餘內存地址的數據，從而開銷較大，因此後來的CPU都提供了緩存一致性機制，Intel的奔騰486以後就提供了這種優化。
緩存一致性機制總體來講，是當某塊CPU對緩存中的數據進行操做了以後，就通知其餘CPU放棄儲存在它們內部的緩存，或者從主內存中從新讀取，以下圖：

這裏以在Intel系列中普遍使用的MESI協議詳細闡述下其原理。
MESI協議
MESI 協議是以緩存行(緩存的基本數據單位，在Intel的CPU上通常是64字節)的幾個狀態來命名的(全名是Modified、Exclusive、 Share or Invalid)。該協議要求在每一個緩存行上維護兩個狀態位，使得每一個數據單位可能處於M、E、S和I這四種狀態之一，各類狀態含義以下：
M：被修改的。處於這一狀態的數據，只在本CPU中有緩存數據，而其餘CPU中沒有。同時其狀態相對於內存中的值來講，是已經被修改的，且沒有更新到內存中。
E：獨佔的。處於這一狀態的數據，只有在本CPU中有緩存，且其數據沒有修改，即與內存中一致。
S：共享的。處於這一狀態的數據在多個CPU中都有緩存，且與內存一致。
I：無效的。本CPU中的這份緩存已經無效。
這裏首先介紹該協議約定的緩存上對應的監聽：
一個處於M狀態的緩存行，必須時刻監聽全部試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操做，若是監聽到，則必須在此操做執行前把其緩存行中的數據寫回CPU。
一個處於S狀態的緩存行，必須時刻監聽使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，若是監聽到，則必須把其緩存行狀態設置爲I。
一個處於E狀態的緩存行，必須時刻監聽其餘試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操做，若是監聽到，則必須把其緩存行狀態設置爲S。
當CPU須要讀取數據時，若是其緩存行的狀態是I的，則須要從內存中讀取，並把本身狀態變成S，若是不是I，則能夠直接讀取緩存中的值，但在此以前，必需要等待其餘CPU的監聽結果，如其餘CPU也有該數據的緩存且狀態是M，則須要等待其把緩存更新到內存以後，再讀取。
當CPU須要寫數據時，只有在其緩存行是M或者E的時候才能執行，不然須要發出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，這是一種總線事務)，通知其餘CPU置緩存無效(I)，這種狀況下會性能開銷是相對較大的。在寫入完成後，修改其緩存狀態爲M。
因此若是一個變量在某段時間只被一個線程頻繁地修改，則使用其內部緩存就徹底能夠辦到，不涉及到總線事務，若是緩存一會被這個CPU獨佔、一會被那個CPU 獨佔，這時纔會不斷產生RFO指令影響到併發性能。這裏說的緩存頻繁被獨佔並非指線程越多越容易觸發，而是這裏的CPU協調機制，這有點相似於有時多線程並不必定提升效率，緣由是線程掛起、調度的開銷比執行任務的開銷還要大，這裏的多CPU也是同樣，若是在CPU間調度不合理，也會造成RFO指令的開銷比任務開銷還要大。固然，這不是編程者須要考慮的事，操做系統會有相應的內存地址的相關判斷，這不在本文的討論範圍以內。
並不是全部狀況都會使用緩存一致性的，如被操做的數據不能被緩存在CPU內部或操做數據跨越多個緩存行(狀態沒法標識)，則處理器會調用總線鎖定;另外當CPU不支持緩存鎖定時，天然也只能用總線鎖定了，好比說奔騰486以及更老的CPU。