多核系统的数据一致性及linux自旋锁
Cache多核同步
cache分为d-cache（可读写）和i-cache（只读）。这样区分主要是为了减少资源冲突，很多中间件也是采用类似的思想，比如innodb的undo段分为insert段和update段，也是为了区分事务对两种改动的不同可见性。icache是只读的，不同cpu之间不会出现数据不一致的情况，而dcache是可读写的，不同的cpu节点会出现数据不一致的情况。
当CPU更改了某条cache line中的数据，则该cache line中的数据比对应内存中的数据新，此时需要将这条cache line标记为modified，以便在cache缓存满了的情况下将cache line中的脏内容flush到内存。
在使用DMA的时候，外设（比如网卡）过来的数据会不经过CPU直接传送到内存，这时内存中的数据就比对应cache中的数据要新，同样需要使对应的cache无效（invalidate），这样CPU下次读取这条cache line里的数据的时候，才能知道这些数据不是最新的，从而从内存更新。
CPU从内存中读取数据到cache line的操作为load，将cache line中的数据写回到内存对应位置的操作为store。cache属于CPU的一部分，而CPU和内存之间是通过总线相连的，因此load和store操作需要经过总线传输。
当代处理器一般不止一个CPU核心，那么如何保证各个CPU对内存同一位置的store和load的操作是序列化的，也就是确保store和load的顺序和线程执行的顺序一致呢？处理器有两种方法实现：嗅探和点对点推送，类似网卡的混杂模式和直接模式。
嗅探
缓存的变动会通过总线广播，其他cpu上的过滤器只会接收处理自身缓存的cache line相关的变化。
点对点推送
一些芯片也会做一些优化，cpu对相关内存位置对应的修改，会只通知拥有相同内存位置cache的cpu，减少总线广播流量。这个机制需要cache line增加一个flag组存储额外信息，即同时操作该内存的cpu id，将同时操作该内存的cpu id对应的位置1，修改该cache时，只通知这些cpu节点。这种机制每次推送一致性广播前都要查询directory，会比直接广播时延高一些。
numa系统之间的cache一致性同步
numa模型里面不同node的CPU之间不再是通过共享的总线相连，而是通过高速消息网络相连，所以numa只能点对点通知，无法使用总线广播。
cache line写时更新
cache和内存保持一致性的写入方式有两种：直写和回写，其实所有的持久化如磁盘都是这两种方式。
CPU对共享变量有写操作之后立刻更新到内存的做法，称为直写。而更好的做法是在其他CPU(P2)对缓存变量有写操作之后，自身CPU(P1)将自己cache中对应的cache line标记为invalid/dirty的状态，这种实现方式为回写。
MSI协议
初始状态某内存变量为1，各CPU对应的cache line与内存值一致，此时cache line为shared（S）状态。
CPU2将自己cache line的数据更改为2，CPU2的这条cache line就变为modified状态（S-->M），其他CPU的cache line就变为invalid状态（S-->I），这个状态更新的实现就是前面的嗅探/点对点推送。除了这种场景，经过dma更新到内存的数据，对应的cacheline也会被标记为invalid状态，而这种情况下的状态更新需要依靠特定驱动来完成。此时CPU2并不一定会将最新值立即写入内存。
如果CPU1试图读取/写入这条cache line中的数据，由于是invalid状态，于是将触发cache miss(read miss)，这个miss信号会被其他持有该缓存的cpu识别到，此时CPU2会把自己cache line的数据回写到内存，然后CPU1从内存读取。然后CPU1和CPU2的cache line都将更新到shared状态（I-->S, M-->S）。
编译器优化和CPU指令重排
编译器会根据自身的一些性能优化策略对代码执行指令重排，也就是编译生成的二进制（机器码）的顺序与源代码可能不同。比如有如下代码：
x++；
y++；虽然y++在x++之后，但是编译器可能会把y++放到x++之前。此外CPU内部也有指令重排，也就是，CPU执行指令的顺序，不一定完全严格按照机器码的顺序。现代CPU的IPC（每时钟执行指令数）一般都远大于1，也就是所谓的多发射，很多命令都是同时执行的。比如，一个CPU核心会有2套以上的整数ALU（加法器），2套以上的浮点ALU（加法器），以及独立的乘法器，独立的Load和Store执行器。Load和Store模块往往还有8个以上的队列，也就是可以同时进行8个以上缓存地址（cache line）的读写交换。
CPU数据读写原子性
了解了cache的一致性之后，再来看看CPU如何原子的改变一个变量的值，即原子操作的函数（API）。
1、单核系统(UP)的原子读/写
在UP系统中，如果CPU仅仅是从内存中读取(read/load)一个变量的值，或者仅仅是往内存中写入(write/store)一个变量的值，都是不可打断，也不可分割的。Linux中实现原子性的读一个变量与原子性的写一个变量的函数分别是atomic_read()和atomic_set()。
2、UP的原子RMW
如果CPU不是简单地读/写一个变量，而是需要修改一个变量的值，那么它首先需要将变量的值从内存读取到寄存器中(read)，然后修改寄存器中变量的值(modify)，最后将修改后的值写回到该变量所在的内存位置(write)，即RMW。如何保证RMW操作的原子性呢？最简单的方法就是关闭中断。不过现代cpu的一些add增强指令能同时完成读和写，不需要关中断。
3、SMP系统的原子RMW
为保证SMP系统中单个CPU的RMW操作也是原子的，不同架构的处理器有不同的实现方式：锁总线、LL/SC指令。
锁总线 （linux）
linux处理器常用的做法是给总线上锁(bus lock)，即仲裁器将与内存通信的总线完全分配给某核心，其余cpu核无法通过总线与内存通信。
除了外围设备的一些映射内存，普通的内存都是可以被cpu cache缓存的。对于这类内存，根据cache一致性原理，对应内存的同一位置，不能有2个及以上的CPU的cache line同时处于modified状态。那么只要获得了变量所在的cache line的排他性修改权，就相当于给cache上锁，对应相当于给该块内存上锁，就可以实现SMP系统的RMW原子操作。
所以，锁总线在具体实现时，总线和内存都不会被上锁，bus lock实际上是cache lock。但如果RMW操作的数据体超过一个cache line（64字节），那么这就不是一次cache line操作可以完成的了，cache lock就不够了，只能明确使用bus lock。
LL/SC （arm）
当用LL 指令从内存某个地址取出数据放到寄存器后，CPU会在寄存器中标记一个排他性bit位。在执行SC操作之前，CPU都会检查该标记，失败则重试。
Linux系统自旋锁实现方式
有了前面的铺垫，就可以理解spinlock的实现了。
linux里面有两种同步锁：spinlock与mutex，区别是spinlock不会引起系统睡眠或调度。自旋锁按演进方向有如下四种实现方式。
CAS
通用的无锁实现方式，称为比较并交换，实现方式如下：
function cas(p, old, new)
{
if *p ≠ old
null
else
*p ← new
}CAS实现简单，缺点是无法实现公平调度，没有办法确保在该锁上等待时间最长的那个CPU优先获得锁，也就是会造成系统延迟不确定的问题。
Ticket Spinlock
实现方式如下：
typedef struct spinlock
{
uint32_t head;
uint32_t tail;
} spinlock_t;类似银行的排队叫号系统：
解锁流程：该自旋锁被拥有者将要释放前，该锁的head值会被owner通过原子inc指令加1。
抢锁流程：其他CPU在试图获取这个锁时，先通过原子指令将tail值保存在自己的寄存器中，然后将spinlock的tail值加1（也就是将自己加到了这个等待队列的尾部）。
然后就是指令循环比较，每当spinlock的head值出现变化时，所有试图获取这个spinlock的CPU都需要读取spinlock的内存，刷新该spinlock锁在自己对应的cache line，但最终只有一个CPU可以获得锁，争抢锁的CPU越多，无谓的性能损耗越大，造成惊群效应。
MCS Lock
这种实现方式下每个CPU不是等待同一个spinlock，而是每个CPU均会有一个spinlock变量，因此每个CPU只需要查询自己对应的这个锁变量所在的本地cache line，仅在这个本地CPU变量发生变化的时候，才读取内存和刷新这条cache line。查询的方式就是前面的MSI协议。
实现方式：
typedef struct mcs_spinlock
{
struct mcs_spinlock *next;
int locked;
}mcs_spinlock_t;locked的值为1表示该CPU是spinlock当前的持有者，为0则表示没有持有,next指针用于挂接新到的需要抢锁的CPU。
加锁：先将自身node节点挂接到尾部，然后等待自身locked变为1。
解锁：先将自身node从锁链里摘除，然后将下一节点的locked改写为1，这样下一节点对应的线程就会被唤醒。
使用Ticket Spinlock时所有线程均争抢同一内存值，而MCS lock只关注自身CPU持有的内存值。缺陷是MCS lock相对Ticket Spinlock多了一个指针，无法刷到同一条cache line里面。
Qspinlock
qspinlock继承了MCS lock的CPU争抢隔离和ticket spinlock的单变量优点，实现方式：
typedef struct qspinlock {
atomic_t val;
u16 locked_pending;
u16 tail;
}qspinlock_t;val为一个64bit的变量，分为如下四个部分：
locked值为1表示持有锁，pending为1表示有一个线程在等待持有锁的线程释放锁。
tail index为2bit，因为linux一共有4种上下文:task, softirq, hardirq和nmi，也就是一个CPU最多会试图获取四把自旋锁。
加锁：第一个获取锁的会将locked置为1，第二个获取锁的cpu会将pending置为1，第三个及以后的就需要使用链表等待了，也就是修改tail cpu的值。因为大部分场景只有一到两个CPU获取锁，不需要链表，因此一条cache line就能容纳该锁。
解锁：将locked置1即可。