MESI缓存一致性协议--volatile能够保持可见性原因

volatile关键字，其实是轻量级锁，保证共享变量可见性的原因在于缓存一致性，协议主要是intel的MESI协议。

现在的cpu都是多核多级缓存架构的，多个cpu内核可以同时处理数据。

主内存：我认为的是堆和方法区

工作内存：我认为是栈和cpu的三级缓存

JMM模型，我认为是一个多线程工作的规范，规范了多线程操作的数据在主内存和工作内存之间是怎么流转的，是jvm内存中的数据和cpu之间怎么协同工作，屏蔽掉了底层硬件的区别。

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一个变量在主内存和工作内存之间具体交互，JMM（java内存模型）定义了八大原子操作:

 

如果多核同时操作同一个共享变量，就会存在变量数据不一致的问题，导致程序执行结果出错。

例如：

1、cpu0读取数据x=1副本到工作内存，cpu1此时也进行读取x=1副本到工作内存；

2、cpu0修改x=2，然后同步到主内存，此时在主内存和cpu0的x=2；

3、cpu1再次读取x，cpu1工作内存已经有一份x=1的副本

4、如果cpu1拿着旧数据再去修改x的值，那将会导致脏数据

因此，cpu1不能及时感知到cpu0已经将x修改成2了，造成了不可见问题。

针对这个问题，在早期cpu处理这个问题，使用的是总线锁（在总线上直接加锁）来解决缓存不一致问题，总线在被锁住的时候，其他cpu是无法访问主内存的；这种方法就如java1.6版本之前的Synchronized直接就是加重锁，简单粗暴，但是效率很低下。

现在的cpu都是采用缓存一致性协议来处理，主要缓存一致性协议用MESI协议。

MESI协议

主要是四种状态M(modified)修改，E(Exclusive)独占、互斥，S(Shared)共享，I(Invalid)无效

当共享变量被volatile关键字修饰的时候，编译器编译成字节码后，解释执行器JIT优化成汇编指令，从解码的汇编指令看被volatile关键字修饰变量会有一个lock前缀修饰（idea怎么查看汇编指令自行百度），正是看到有lock前缀修饰的变量MESI协议才会生效。除了MESI协议之外，还需要总线嗅探机制来监听和通知，当cpu上来read读取变量的时候，发现变量有volatile修饰，那么cpu会监听总线，当有其他cpu读取和修改该变量的时候，总线会发通知给cpu。

MESI协议失效的情况是：

1、cpu的寄存器在处理变量的时候是不支持协议的，只有在工作内存（cpu三级缓存）和主内存中有效。

2、MESI缓存一致性协议是针对单个缓存行cacheLine（一个缓存行的大小是64byte）进行加锁，如果变量超过缓存行的大小，那么缓存一致性协议会失效，会升级为总线锁来处理。

MESI+总线嗅探机制过程：

1、cpu0从主内存读取x=1副本到cpu缓存中，cpu0监听总线，此时只有cpu0有x，所以此时是独占状态E

2、cpu1也从主内存读取x=1副本到缓存中，根据总线嗅探机制，总线通知cpu0，告知cpu1也读取了变量x，此时cpu0的x变量状态变成S共享状态，总线也会通知cpu1让它变成S共享状态。

3、cpu0想把x修改成2，把x加载到cpu寄存器中修改成x=2，然后写入到一个叫StoreBuffer缓存中，并没有立马修改cpu缓存中x的值，

4、此时，cpu0想修改x的状态变为M修改状态，cpu0发起消息通知总线，总线收到通知发现只有cpu0在修改x，那会同意cpu0设置为修改状态，cpu0收到总线通知，cpu0把storeBuffer中的x=2的值写入cpu缓存中，把状态修改为M，

5、总线通知cpu1，通知他cpu0已经修改x的值并写入到主内存，让cpu1修改x状态为I失效状态，并去主内存拉取最新的x的值；cpu1收到通知后，把缓存中的x=1写入到一个queue队列中，然后把缓存中的x设置为I无效状态，至于cpu1什么时候删除队列中的数据，看cpu1什么时候有空，

6、cpu0把修改后的x=2写回主内存，然后cpu0的x修改成E独占状态，总线嗅探机制通知cpu1去主内存获取最新的x的值，cpu1收到通知后去主内存拉取最新的x值到缓存中，此时cpu0和cpu1都有x副本，x都会变成S共享状态。

7、并发的时候，如果cpu0和cpu1同时修改x的值，都想让总线把自己的x改成M修改状态，此时总线会做出相应的裁决，将其中一个设置为M状态，一个设置为I状态。

MESI协议+总线嗅探机制，让多线程操作volatile共享变量的时候，保证可见性。但是不能保证原子性，比如：x++操作，这个操作其实分为三个步骤，读取x变量的值，进行x+1操作，最后值赋值给x。这是三个步骤，多线程中，cpu0在执行完x++后改成M状态，cpu1也执行了x++，此时cpu1需要丢弃x的值。cpu0写入主内存，cpu1修改的值作废了。正常两个线程操作需要加2次，现在cpu1的作废了，只加了1次，cpu1被中断了。保证不了原子性。

volatile能够防止指令重排，编译器编译和cpu执行的时候，会对指令进行重排来提高执行效率。

因为volatile修饰的变量，在编译成字节码的时候可以看到会在volatile代码前后加入内存读写屏障。JVM有四种内存屏障，有storeStore  storeLoad  loadLoad  loadStore.