多核cpu怎么保证数据一致性（二）cpu为什么要用高速缓存？L1,L2,L3 cache

系列文章目录

多核cpu怎么保证数据一致性（一）为什么要做指令重排序？
多核cpu怎么保证数据一致性（二）cpu为什么要用高速缓存？L1,L2,L3 cache
多核cpu怎么保证数据一致性（三）MESI缓存一致性协议
多核cpu怎么保证数据一致性（四）volatile关键字、happens-before原则、内存屏障

前言

上篇文章《多核cpu怎么保证数据一致性（一）为什么要做指令重排序？》，我们说了为什么要做指令重排序，以及重排序保证指令正确执行的原则，本篇我们就从cpu的结构说说多核cpu怎么保证数据一致性的

一、cpu存取数的内存结构

我们知道cpu分为三级缓存和内存，如下图（图1-1）

其中l1cache，l2cache，l3cache（其中l1cache中又分为L1D(L1 Data Cahce)和L1I(L1 Instruction Cache)，我们这里只说数据缓存，指令缓存没什么可讲的哈），L3cache下面就是我们的主存，也是我们说的内存。

其中L1和L2cache是每个cpu核独享的，L3cache是多个cpu核共享的。

二、CPU为什么要有那么多级的缓存呢？

我用的是macbook pro 2017款，这是我的电脑配置：

可以看到我的处理器是2.8GHz，这是一个什么概念呢，就是每秒钟可以产生2.8G个（0或1）这样的数字，我们知道计算机中的程序和数据都是0和1组成的，这就是cpu的运算效率。一个int类型由32个bit组成，也就是说我处理一个int类型只要10ns，而我们从内存中读取一次数据呢，需要1000ns，差了100倍（这个速度相当于一个是高铁的速度，一个是步履蹒跚的老太太走路，差距巨大）。
虽然我的内存有16G，但是对于cpu来说去内存读数据还是太慢了。我们为了提升cpu存取数据的效率，如果能把cpu读取数据的效率控制在30-40ns，那cpu的效率将显著提升，此时就诞生了我们的cpu高速缓存。
为什么高速缓存要分为三级呢？这是跟硬件有关的，为了提升cpu存取数据的效率，那么这些数据一定要距离cpu足够的近，此时高速缓存的空间就很有限了，所以l1cache是距离cpu最近的，当然空间也是最小的，距离图示如下：

三、cpu为什么要用多核？

其实一个cpu的内核，性能是有极限的（上面说的2.8GHz）,为了提升性能，让计算机做更多的任务，所以就要使用多个内核来提升效率。关于多核里面的高速

四、cpu怎么处理多核中的高速缓存数据不一致

我们在图1-1中说到，l1cache和l2cache是cpu的核独有的（如我的电脑4核16G，每个cpu核中都有l1cache和l2cache），如果遇到多线程的情况，如下代码所示：

public class VolatileTest {
    private static volatile int COUNTER = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new ChangeListener().start();
        new ChangeMaker().start();
    }

    static class ChangeListener extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            int threadValue = COUNTER;
            while ( threadValue < 5){
                if( threadValue!= COUNTER){
                    System.out.println("Got Change for COUNTER : " + COUNTER + "");
                    threadValue= COUNTER;
                }
            }
        }
    }

    static class ChangeMaker extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            int threadValue = COUNTER;
            while (COUNTER <5){
                System.out.println("Incrementing COUNTER to : " + (threadValue+1) + "");
                COUNTER = ++threadValue;
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            }
        }
    }
}

我的数据既有在线程ChangeListener中执行，又有在线程ChangeMaker中执行，但是两个线程都用到了COUNTER这个共享变量（此时可能ChangeListener在核1上执行，ChangeMaker在核2上执行）。但是我存取数据都是在缓存中的，而缓存是cpu核独有的，怎么保证每个cpu核读到的数据都是最新的且正确的呢，我们将在下一章节说说“cpu的MESI缓存一致性协议”

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总结

今天我们说了

• cpu为什么要用多核：以为单个cpu核的性能是有极限的
• cpu为什么要用高速缓存：从内存中存取数据太慢
  下一章节，我们将说说cpu怎么保证缓存的一致性：MESI缓存一致性协议

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