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深入理解缓存一致性问题缓存一致性问题如何解决缓存一致性的问题

缓存一致性问题

当程序在运行过程中, 会将运算需要的数据从主存复制一份到 CPU 的高速缓存当中, 那么 CPU 进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据, 当运算结束之后, 再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。 举个简单的例子, 比如下面的这段代码:

i = i+1

当线程执行这个语句时, 会先从主存当中读取 i 的值, 然后复制一份到高速缓存当中, 然后 CPU 执行指令对 i 进行加 1 操作, 然后将数据写入高速缓存,最后将高速缓存中 i 最新的值刷新到主存当中。

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的, 但是在多线程中运行就会有问题了。 在多核 CPU 中, 每条线程可能运行于不同的 CPU 中, 因此每个线程运行时有自己的高速缓存(对单核 CPU 来说, 其实也会出现这种问题, 只不过是以线程调度的形式来分别执行的) 。

本文我们以多核 CPU 为例

比如同时有 2 个线程执行这段代码, 假如初始时 i 的值为 0, 那么我们希望两个线程执行完之后 i 的值变为 2。 但是事实会是这样吗?

可能存在下面一种情况: 初始时, 两个线程分别读取 i 的值存入各自所在的CPU 的高速缓存当中, 然后线程 1 进行加 1 操作, 然后把 i 的最新值 1 写入到内存。 此时线程 2 的高速缓存当中 i 的值还是 0, 进行加 1 操作之后, i 的值为1, 然后线程 2 把 i 的值写入内存。

最终结果 i 的值是 1, 而不是 2。 这就是著名的缓存一致性问题。 通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

也就是说, 如果一个变量在多个 CPU 中都存在缓存(一般在多线程编程 时才会出现) , 那么就可能存在缓存不一致的问题

如何解决缓存一致性的问题

为了解决缓存不一致性问题, 通常来说有以下 2 种解决方法: 1) 通过在总线加 LOCK#锁的方式 2) 通过缓存一致性协议

通过在总线加 LOCK#锁的方式

在早期的 CPU 当中, 是通过在总线上加 LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。 因为 CPU 和其他部件进行通信都是通过总线来进行的, 如果对总线加 LOCK#锁的话, 也就是说阻塞了其他 CPU 对其他部件访问(如内存) ,从而使得只能有一个 CPU 能使用这个变量的内存。 比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1, 如果在执行这段代码的过程中, 在总线上发出了 LCOK#锁的信号, 那么只有等待这段代码完全执行完毕之后, 其他 CPU 才能从变量 i所在的内存读取变量, 然后进行相应的操作。 这样就解决了缓存不一致的问题。但是上面的方式会有一个问题, 由于在锁住总线期间, 其他 CPU 无法访问内存, 导致效率下。

但是上面的方式会有一个问题, 由于在锁住总线期间, 其他 CPU 无法访问内存, 导致效率低下。

通过缓存一致性协议

所以就出现了缓存一致性协议。 该协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。

它核心的思想是: 当 CPU 向内存写入数据时, 如果发现操作的变量是共享变量, 即在其他 CPU 中也存在该变量的副本, 会发出信号通知其他 CPU 将该变量的缓存行置为无效状态, 因此当其他 CPU 需要读取这个变量时, 发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的, 那么它就会从内存重新读取。

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