CPU缓存一致性协议MESI，memory barrier和java volatile

MESI协议

MESI协议是一个被广泛使用的CPU缓存一致性协议。我们都知道在CPU中存在着多级缓存，缓存级别越低，容量就越小，速度也越快。有了缓存，CPU就不需要每次都向主存读写数据，这提高了CPU的运行速度。然而，在多核CPU中，低级别的缓存是单个CPU独占的:

如上图所示，每个CPU核心分别拥有独立的一、二级缓存，共享了三级缓存。这就带来了缓存一致性的问题：当同一份数据同时存在于多个CPU的独立缓存中时，如何保证缓存数据的一致性？

MESI协议提供了一种方式，成功的解决了缓存一致性问题。对于缓存中的每一行，都设置一个状态位，一共有四种状态：

• M(modified):表示缓存行仅存在于当前的缓存中，并且已经被更改。在该缓存行写回到主存之前，任何其他CPU都不能读取该缓存行的内容。
• E(exclusive):表示缓存行仅存在于当前的缓存中，并且未被修改。如果有其他CPU读取该行，则转移到Shared状态；如果修改该行，则转移到Modified状态。
• S(shared):表示有多个CPU共享该缓存行，且内容未被修改。
• I(invalid):表示缓存行已失效(未被使用)。

从上述状态定义可以看出，MESI协议实际上定义了一个状态机，其中状态转移规则保证了CPU在多级缓存环境下的缓存一致性。MESI定义的状态转移规则如下所述：

除Invalid状态以外，所有状态的缓存行都可以进行读操作

从状态定义就可以看出，只有Invalid状态的缓存行内容是无效的，必须从主存读取。

只有在状态为M或E时才能进行写操作，如果当前状态为S，则其它CPU中的同一行必须转移到状态I，这是通过发送RFO(request for ownership)广播实现的

M或E状态下，缓存行都只存在于单个CPU中，S状态下多个CPU共享一行，因此必须将其他CPU的状态置为I，才能进行写操作。

除M以外的任意状态都可转移到I，M状态必须先写回到主存再丢弃

只要内容未被修改，CPU可以再任意时刻丢弃一个缓存行，否则则必须先把修改的内容写回到主存

处于M状态的缓存必须拦截其他CPU对同一行的读操作，并返回自身缓存中的数据

这可以保证所有CPU读到的都是最新的内容，这种拦截操作称为snoop，数据不需要写回到主存，直接由M状态的缓存返回，状态由M转移到S

处于S状态的缓存必须监听RFO广播，并转移到I状态

当一个CPU修改S状态的缓存时，其余的缓存必须先转移到I状态，防止并发的写操作

处于E状态的缓存必须拦截其他CPU的读操作，并转移到S状态

当有其他CPU读E状态的缓存时，状态必须由独占转移到共享

上述过程可以用下面这幅图来描述：

那么问题来了

MESI很好的解决了缓存一致性的问题，但是也不可避免的带来了额外的开销。考虑一个简单的赋值操作a=1,假设变量所在的缓存行不在当前CPU中，则CPU需要发送”read invalidate”消息，获取缓存行，并且告知其他CPU丢弃该缓存行，然后该CPU必须等待，直到收到来自其他CPU的确认响应为止：

而实际上，无论a之前的值为何，在该条指令执行后都会被覆盖，因此这段等待的开销是完全没有必要的。为此，CPU的设计者加入了store buffer，用于缓存store指令对缓存行的修改：

如图所示，对缓存行的修改操作不会立刻执行到缓存行上，而是先进入store buffer，这样CPU的写操作就不需要等待到从其他CPU得到缓存行才能执行。CPU可以立即执行写操作，等到得到缓存行时，才将变更从store buffer写入缓存行。然而，这又立刻带来了另外一个问题，由于store buffer的存在，在CPU中同一个变量可能存在两份拷贝(当缓存行到达CPU时，缓存和store buffer中存在同一个变量的两份拷贝)，这无疑破坏了缓存的一致性，若CPU在store buffer写入缓存之前load数据，就会拿到旧的数据。为了解决这个问题，CPU设计者又加入了store forwarding机制，简单的讲就是CPU会优先从store buffer中取变量，保证同一时刻一个变量在单个CPU中的一致性：

然而，这样做并不能解决另外一个问题，那就是隐式的数据依赖，考虑下面两个

代码清单1:
foo(){
 a = 1;
 b = 1;
}
bar(){
 while(b == 0) continue;
 assert(a == 1);
}
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假设CPU0执行foo,CPU1执行bar，并且a处于CPU1的缓存中。由于store buffer的存在，对a的写操作会立刻执行，而不会等待其他CPU的invalidate响应。CPU0接着执行b=1，CPU1获取到最新的b以后，执行assert语句，此时，CPU1有可能尚未收到来自CPU0的invalidate消息，因而a有可能仍在CPU1的缓存中，并且值未被改变，从而导致assert失败。

内存屏障

引入store buffer带来了性能的提升，却导致MESI协议无法保障缓存的一致性。从上一节中的例子可以看出，一致性问题的出现来源于数据之间的隐式依赖，也就是说必须保证某个操作在另外一个操作之前完成。比如a=1这个操作必须写入到cache line(只有在cpu收到invalidate响应时，才会把数据从store buffer写入cache line)，才能执行b=1。但是CPU是无法探测到这种隐式相关性的，必须由程序员自己来进行控制。因此CPU提供了内存屏障指令，该指令使得屏障之前的写操作都在屏障之后的写操作之前完成：

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!代码清单2:
foo(){
 a = 1;
 smp_mb(); // 加入内存屏障
 b = 1;
}
bar(){
 while(b == 0) continue;
 assert(a == 1);
}
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smp_mb的实际功能是对store buffer中的变量标记，这样当CPU0执行b=1时，发现store buffer中存在标记过的变量，就不能立刻将b=1写入缓存行，而是将其写入store buffer(但不进行标记)。等到CPU0收到invalidate响应，将store buffer中的标记变量写入缓存行，b=1才会写入到缓存行。在此期间，由于标记变量的存在，所有对b的读操作都只能读到b的原始值，也就是0，导致CPU1无法执行到assert语句。

除了写操作等待，invalidate操作的开销也很大，因为它的存在，CPU不得不频繁丢弃缓存行，导致缓存命中率低下。为了进一步提升性能，CPU中又加入了invalidate队列(invalidate queue)，CPU收到invalidate消息以后会立刻发送响应，但并不立刻处理，而是将该消息放入队列，等到适当的时候再处理。与store buffer类似，这么做的副作用也是破坏了MESI协议，延迟响应的代价就是缓存中可能存在过期的数据。这个问题同样可以用内存屏障来解决:

代码清单3:
foo(){
 a = 1;
 smp_mb(); // 加入内存屏障
 b = 1;
}
bar(){
 while(b == 0) continue;
 smp_mb(); // 加入内存屏障
 assert(a == 1);
}
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bar()函数的内存屏障保证了屏障之前的invalidate消息都会执行，然后才执行后面的指令。这样CPU1执行assert时，发现a的缓存行已经失效，只能尝试读取，此时CPU0会返回最新的数据a=1，assert执行成功。为了进一步提升效率，CPU还支持对store buffer和invalidate队列单独进行操作，这就是写屏障和读屏障。写屏障保证屏障之前的写操作对其他CPU都是可见的；读屏障保证屏障之后的读操作读到的都是最新的数据。

Java中的内存屏障

Java中的 volatile 关键字可以用来修饰变量，它可以保证：

可见性 一个线程对volatile变量的写操作可以立刻被其他线程看到

原子性 对volatile变量的单个读/写操作具有原子性

在某些jvm中，对 long 和 double 的读写操作是不具有原子性的，而是会拆成两部分：对高32位和低32位分别赋值。因此，假设线程a在读 long 变量l时，线程b也在写入，那么线程a可能读到的数据可能一半是新的，一半是旧的。如果将 long 和 double 变量声明为volatile，则可能保证变量的读写具有原子性。但是要注意，这个原子性只是对读写的单个操作而言的，对于复合操作则不能保证:

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!代码清单4:
volatile int a = 0;
incrementAndGet(){
 a++;
 return a;
}
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如果指望代码清单4中的a变量能够正确的增长，恐怕要失望了。因为a++这个操作实际上是由读取-修改-写入三个操作组成的，在并发环境中，这样的操作不具有原子性，数据更新很有可能会丢失。

可见性 又是怎么一回事呢？这就涉及到了内存屏障，为了使得对volatile变量的修改对其他线程总是可见的，jvm会执行如下操作:

在volatile变量的写操作之后插入写屏障

插入写屏障之后，屏障之前的写操作对于其他CPU都是可见的，需要注意的是此处的可见性并不只针对标记为volatile的变量，而在所有在屏障之前执行了写操作的共享变量（写屏障是对store buffer中存在的所有变量进行标记）。

在对volatile变量的读操作之前插入读屏障

插入读屏障之后，本地缓存中所有被更改过的共享变量会立刻失效(通过执行invalidate队列中的消息实现)。这样，在屏障之后读取共享变量时，由于缓存失效，只能向主存或其他CPU发送读取请求，从而保证了读到的一定是最新的值。

代码清单5是一个简单的实例

代码清单5：
class MBExample{
 int a = 0;
 volatile boolean flag = false;
 void foo(){
 a = 2;
 flag = true;
 }
 void bar(){
 if(flag)
 a ++;
 else
 a --;
 }
}
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假设线程t1和t2共享MBExample的一个实例，t1执行foo, t2执行bar。假设foo先于bar执行，此时我们一定期望a最终的值为3。但是，如果flag变量未被标记为 volatile ，根据之前的讨论，由于store buffer和invalidate queue的存在，t2未必能获得最新的a和flag的值(例如假设一开始a以S状态存在于t1,t2的cache line中，而flag以E状态存在与t1的cache line，最终的结果有可能为a=1)。如果flag被标记为volatile，代码清单5实际上变成了如代码清单6的情形：

代码清单6：
...
void foo(){
 a = 2; // ---------------------------1
 flag = false; // --------------------2
 smp_wmb(); // 写屏障
}
void bar(){
 smp_rmb(); // 读屏障
 if(flag) // -------------------------3
 a ++; // -----------------------4
 else
 a --;
}
...
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事实上，volatile的作用不止于此，对于JIT编译器而言，volatile还是”指令屏障”，如果编译器出于性能优化的考虑对指令进行重排序，有可能破坏程序的原本意图，volatile对这一行为进行了限制。Java内存模型针对volatile的指令重排序做了如下规定：

• 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
• 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
• 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

因此，当foo在bar之前执行时，实际上产生了一种偏序关系，如代码清单6所示1 >> 2 >> 3 >> 4，最终使得4中读取到的a的值一定为2。这种指令重排的约束仅对JIT生效，因为java字节码解释器的解释执行是line by line的，指令的先后顺序天然的得到保留。

参考资料

Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers

MESI protocol

深入理解Java内存模型（四）——volatile

Memory Barriers/Fences

Non-atomic Treatment of double and long

我自己收集了一些Java资料，里面就包涵了一些BAT面试资料，以及一些 Java 高并发、分布式、微服务、高性能、源码分析、JVM等技术资料

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