MESI 缓存一致性协议

场景再现

场景：
  服务器有2个线程t1、t2在跑。都对 x=1 分别+1，期望最终结果：x = 3
 
问题分析：
  首先会将 x=1 加载到主内存中，然后 t1线程，会获取到 x=1 的内存地址，然后在寄存器、CPU缓存（L1、L2、L3）中是否存在(L1最优先，L2中如果有，则copy一份到L1，最后加载到寄存器进行计算)，如果都没有则会去主内存中获取，然后一次加载，并copy到L3→L2→L1，最后写入寄存器进行计算，一级一级进行缓存。
 
实际结果：
  同一时刻两个线程同时运行，则会在各自线程中的 CPU 缓存中，同时有两份 x=1 的副本，然后两个线程都 +1 后，再同步写入到主内存中，此时两个线程最终结果应该为 1+1+1=3，但是预期结果会是2（t1线程写入后，t2也写入，都是1+1，写入的都是2），会导致结果和预期的不一致。

  多线程环境下，同时对一个共享变量进行操作，每个线程中都有各自的缓存模块。在这种情况下就会出现示例中出现的情况。这种情况就是并发编程中的三大问题之一：可见性，此处先行透露一下，本文不对可见性做进一步的介绍，在后续系列文章中会做介绍，请持续关注《并发编程专题》。

  在 CPU 层面，为了保证运算结果的一致性，设计了两种方式来解决这个问题：①总线锁  ②MESI缓存一致性协议，本文就一起来了解这两种方式。

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/2019122017390262.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x6YjM0ODExMDE3NQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70）

1.总线锁

  总线锁，顾名思义就是在总线上加一把锁。还不了解计算机总线的朋友，来这里了解一下：计算机原理结构

  某个CPU核心线程1去访问数据进行操作，会在总线上发送一个 LOCK 指令操作；CPU其他核心线程2请求数据操作时，便会被阻塞（总线锁相当于排它锁/悲观锁），如下图所示：

   即使你的 CPU 是6核128线程，同样只能有1个线程执行，加总线锁，会严重影响机器的性能!!!。显然总线锁是不可取的，接下来我们就来聊聊 MESI 缓存一致性协议。

  CPU 支持 MESI 协议的话，优先使用缓存一致性协议。

2.MESI 缓存一致性协议

  缓存一致性协议，可以先BaiDu简单了解一下：MESI 缓存一致性协议。加入 MESI 缓存一致性协议后， CPU 架构如下图所示：

1.MESI 协议概念

  MESI协议是一个基于失效的缓存一致性协议，是支持写回（write-back）缓存的最常用协议。也称作伊利诺伊协议 (Illinois protocol，因为是在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校被发明的)。与写穿（write through）缓存相比，回写缓冲能节约大量带宽。总是有“脏”（dirty）状态表示缓存中的数据与主存中不同。MESI协议要求在缓存不命中（miss）且数据块在另一个缓存时，允许缓存到缓存的数据复制。与MSI协议相比，MESI协议减少了主存的事务数量。这极大改善了性能!!!。  （摘自：维基百科：MESI协议）

 缓存最小的单位：缓存行。

 MESI 协议就是基于缓存行进行操作，缓存行有4种不同的状态：M、E、S、I

1. Modified (M)
   缓存行是脏的（dirty），与主存的值不同。如果别的CPU内核要读主存这块数据，该缓存行必须回写到主存，状态变为共享(S).
2. Exclusive (E)
   缓存行只在当前缓存中，但是干净的（clean）–缓存数据同于主存数据。当别的缓存读取它时，状态变为共享；当前写数据时，变为已修改状态。
3. Shared (S)
   缓存行也存在于其它缓存中且是干净的。缓存行可以在任意时刻抛弃。
4. Invalid (I)
   缓存行是无效的

2.通过例子来介绍 MESI 协议

  通过多线程示例，我们来分析一下 MESI 协议四个状态的切换过程，本例以两个线程来分析，如需更深入了解 MESI 协议每个状态的更多切换过程，建议去其他文章了解，本文只是简单介绍，不做深层次学习。

1.MESI 场景

  场景：线程1和线程2，都执行程序 x=1，分别对 x 加1，期待结果是：x=3

  说明： 线程1运行在 CPU 核1 线程2运行在 CPU 核2（以多核CPU为例，如下图所示）

2.MESI 协议下，执行步骤

1. 线程1从主内存获取数据，并将数据(操作的是内存地址)写入到自己核的CPU缓存(3级缓存，L3、L2、L1 依次写入)，基于 MESI 缓存一致性协议，此时 x=1 属于 E(独占) 状态；
2. 在线程1操作同时，线程2也在做相同的操作，同样对 x 加1。同样将 x=1 读取到自己的缓存中，此时同样 x=1；
3. 利用CPU 嗅探技术(类似监听机制，都在不停监听总线情况)，核1(线程1)嗅探到核2(线程2)也有在使用相同的内存地址，会将线程1中 x=1 由 E(独占) 变为 S(共享)，此时线程2 中 x=1 同样也是 S(共享) 状态；
4. 每个线程，都在不停歇嗅探总线情况。线程1在获取到 x=1 后，在 CPU 中进行计算，计算完成后，会将数据回写到 CPU 缓存中(用作备份，依次L1、L2、L3)，此时线程1准备写入主内存时，会向总线发送消息，并锁住当前[缓存行]，同时将状态由 S(共享) 变更为 M(修改) 状态；
5. 线程2(CPU核)此时嗅探到：相同的内存地址 (x=1) 状态已经发生变更，线程2 会将自己的 x=1 的状态由 S(共享) 变更为 I(无效) 状态；
6. 线程1将最终结果：x=2，写入到主内存中；
7. 线程2在执行过程中，获取的 x=1 内存地址由于被其他线程已经修改，状态置为 I (无效)，此时便会重新去主内存获取x值，获取到的就是最新的 x=2，继续经过缓存，CPU计算，将最终结果写入 主内存 中；
8. 此时如果再来个线程3，同样对该内存地址进行操作，则重复执行步骤1。（参照上图）

3.MESI协议失效问题

在如下两种情况下，MESI 协议会失效：

1. 如果主内存中的数据，存储长度大于一个缓存行，MESI协议便会失效；

2. 古老的CPU，并不支持缓存一致性协议，比如：老的奔腾系列CPU；

怎么办呢？

  如果 MESI协议 失效，或者 CPU 根本不支持 MESI协议，则会退而求其次，采用 总线锁 方式解决缓存一致性问题。

  2021-11-15，MESI 缓存一致性协议已更新，接下来涉及到的 JMM 内存模型、MESI 协议在 JMM 内存模型中的8种交互操作等内容，如有需要，请持续关注《并发编程》板块！！！

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