面时莫慌 | 你好，请谈谈volatile关键字？（三）

---

theme: channing-cyan

这是我参与更文挑战的第26天，活动详情查看： 更文挑战。
紧接着上一篇你好，请谈谈volatile关键字？(二)

4.4 缓存一致性协议MESI

现在来正式谈谈MESI，上面说MESI协议具有四个状态，这四种状态指的是4个单词的首字母，具体包括Modified、Exclusive、Shared、Invalid，用2个bit表示，几种状态解释如下。

• Modified 表示Cache Line有效，数据只存在当前Cache中，并且数据是已经被修改了，与主存中的是不一致的。
• Exclusive 表示Cache Line有效，数据只存在当前的Cache中，数据和主存保持一致的。
• Shared 表示Cache Line有效，数据并不只是存在当前的Cache中，被多个Cache共享，各个Cache 与主存数据都一致。
• Invalid 表示当前缓存行已经失效。

在MESI协议中，每个高速缓存的控制器不单单知道自己的读写操作，而且还监听其它高速缓存的读写操作，这个就是嗅探技术，控制器针对当前Cache Line处于的状态进行不同的监听任务。

4.4.1 状态变化流程

到底是如何监听任务的，我们通过一个简单的例子来分析一下。假设我们现在有一个双核的CPU，主存里面存储着一个i的变量，值为1，现在CPU要做一些运算操作，需要将i读取到缓存中。

步骤1：图上CPU1从主存中读取数据到缓存，当前缓存的存储的变量i=1，缓存行的状态时E，也就是独占，时刻监听着有没有其它缓存也要从主存中加载该变量。

步骤2：图上CPU2也试图从主存中读取变量i，加载到缓存中，CPU1监听到这个事件，于是CPU1立刻做出变化，更改状态为S，CPU2也同时读取到数据，状态也为S。此时两个CPU Cache Line 存储的变量i=1,都在监听有没有事件要使缓存自己置为I无效态，或者其它缓存要独享变量的请求。

步骤3：图上CPU1计算完成后，需要修改变量i=2，缓存管理器先设置Cache Line 的状态为M修改态，然后发起事件通知其它CPU，CPU2收到事件通知，设置Cache Line的状态为I无效态。CPU1 监听着其它缓存要读取主内存的事件。CPU2的缓存行因为状态时无效的，所以缓存行失效。

步骤4：图上，CPU2运算要用到变量i，因为存储i的缓存行失效，去主动同步主内存。CPU1收到有其它CPU要读取主存的请求，赶在读取之前，先把修改后的变量同步到主存，同步完以后，主存上的变量i=2，然后CPU1缓存管理器设置缓存行的状态为E。然后按照步骤4，两个CPU的Cache Line最后状态都变为S。

4.4.2 状态变化原则

总的来说，对于CPU读写操作缓存行，MESI协议遵循以下的原则：

• CPU读请求：缓存行当前状态处于M E S状态都可以被读取，处于I状态下，CPU只能从主存中读取数据。
• CPU写请求：缓存行当前状态处于M E 状态才可以被直接写，处于I状态下，缓存行已经失效，无法进行读取操作；处于S状态，能写的前提条件是将其它缓存行设置为无效。

4.4.3 MESI 带来的问题

虽然通过MESI协议的四种状态和嗅探技术，实现了缓存的一致性，但也带来一些问题。

上面我们谈到，如果CPU要将计算后的结果写入Cache Line 中，需要发送一个失效的通知给其它存储了相同数据的CPU，并且必须等到他们的状态变更完成后才能进行相应的写入操作，在整个期间，该CPU在同步地阻塞的等待，十分影响CPU的性能。

为了解决阻塞等待的问题，在CPU中又引入了Store Buffer,通过这个buffer，CPU要修改缓存中的值时，只需要将数据写入这个buffer，就可以去执行其它指令了。然后当收到其它CPU修改指定缓存行的状态为I无效态以后，再将buffer的数据存储到Cache Line，然后必要时，再同步到主存中。

这种方案是异步的，解决了CPU同步等待阻塞的问题。但同时也引入了新的问题。

• 因为是一个异步操作，具体什么时候收到其它CPU状态变更的通知是不明确的，所以导致Store Buffer的数据什么时候写入Cache Line也是不确定。
• 当未收到其它CPU状态变更之前CPU有可能会来读取数据，首先会从Store Buffer中读，如果没有，再读Cache Line，如果还没有，再读主存。

新的问题，带来的巨大的影响就是指令重排序。

我们通过一个例子分析具体是什么问题。

``` int value =1; bool finish = false;

void runOnCPU1(){ value = 2; finish = true; }

void runOnCPU2(){ if(finish){ assert value == 2; } } ```

我们假设#runOnCPU1、#runOnCPU2 两个方法分别运行在两个独立的CPU上。 我们很容易想到肯定不会有断言执行。当事实真的如此吗，以下是一种可能的场景。

CPU1 缓存行上缓存了两个关键变量，状态如下：

| | value | finish | | --------------- | ----- | ------ | | CacheLine状态 | S | E |

CPU1在执行#runOnCPU1方法时，会先把value=2写入到Store Buffer中，继续执行finish=true这条指令，与此同时，也通知了其它存储相同变量的CPU 设置缓存行的状态为I无效态，并异步的等待执行结果回执。

因为当前存储finish变量的Cache Line的状态为E独占，所以无需通知其它CPU，立刻就能将finish=true写入Cache Line。这个时候CPU2开始执行#runOnCPU2方法，会从主存中读取finish，按照文章上面介绍的状态变化步骤，会轻松读到finish=true,此时两个CPU存储finish的Cache Line状态都为S，并且主存的finish=true。CPU2继续执行assert value == 2;这条指令，首先要去从主存中获取value的值，因为CPU1修改value的值还放在Store Buffer，所以CPU2取到的值会是1。

也就是说，我们能看到的现象是，在方法#runOnCPU1中，finish赋值早于value的赋值，跟我们预期有差异，这个就是指令重排序带来的可见性问题。

这种可见性问题，可以基于JMM(Java 内存模型)的内存屏障去解决，恰恰好，这个就是volatile保证多线程环境下可见性的杀手锏。
篇幅较长，继续阅读请点击【面时莫慌】你好，请谈谈volatile关键字？(四)

---

哥佬倌，莫慌到走！觉好留个赞，探讨上评论。欢迎关注面试专栏面时莫慌 | Java并发编程，面试加薪不用愁。也欢迎关注我，一定做一个长更的好男人。