volatile底层实现(CPU的缓存一致性协议MESI)

MESI缓存一致性与Volatile

最新推荐文章于 2025-10-10 17:52:20 发布

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探讨了多核CPU中的MESI缓存一致性协议如何解决数据一致性问题，包括缓存状态及其转换，并对比了Volatile关键字如何确保数据的可见性。

CPU的缓存一致性协议MESI

在多核CPU中，内存中的数据会在多个核心中存在数据副本，某一个核心发生修改操作，就产生了数据不一致的问题，而一致性协议正是用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据的一致性。

cache的写操作

write through 写通

每次CPU修改cache中的内容会立即更新到内存，也就意味着每次CPU写共享数据，会导致总线事务，因此这种方式常常会引起总线事务的竞争，虽然后高的一致性但是效率非常低。

write back 写回

每次CPU修改了cache中的数据，不会立即更新到内存，而是等到cache line在某一个必须或合适的实际才会更新到内存。

写失效
当一个CPU修改了数据，如果其他CPU有该数据，则通知其为无效；

写更新
当一个CPU修改了数据，如果其他CPU有该数据，则通知其更新；

cache line

在这里插入图片描述
cache line是cache与内存数据交换的最小单位，根据操作系统一般是32或64byte，在MESI协议中状态可以是M、E、S、I，地址则是cache line中映射的内存地址，数据则是从内存中读取的数据。

工作方式

当CPU从cache中读取数据时候，会比较地址是否相同，如果相同则检查cache line的状态，再决定该数据是否有效，无效则从主存中获取数据，或根据一致性协议发生一

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16 条评论

@王小歪 2021.01.11
很好的文章，但是错别字太多了

blackt_ 2020.09.04
根据这个文档 http://www2.in.tum.de/hp/file?fid=1362 。MESI协议是是弱一致性的解释是对的。 Modern CPUs use a weakly-ordered memory model: - reads and writes are not synchronized unless requested by the user - many kinds of memory barriers exist with subtle differences - most systems provide a barrier that is both, read and write (e.g. mfence on x86) - ahead-of-time imperative languages can use memory barriers, but compiler optimizations may render programs incorrect - use the volatile keyword in C/C++ - in the latest C++ standard, an access to a volatilevariable will automatically insert a memory barrier. otherwise, inline assembler has to be used

MurasakiSeiFu 2020.05.09
下面读者的问题其实很好解释，就是CPU确实有MESI协议，但是把一个变量从主内存中复制到工作内存中，就需要按顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步到主内存中，就需要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求8大操作(原子操作)必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。 volatile修饰的变量的read、load、use操作和assign、store、write必须是连续的，即修改后必须立即同步会主内存，当其它线程需要读取该变量时，使用时必须从主内存刷新，由此保证volatile变量的可见性。之所以为什么需要volatile这个关键词来保证可见性，是因为在一些情况下，CPU的MESI协议会导致程序执行出现错误。下面的代码跑跑试试吧，initFlag加与不加volatile的区别一下子就看出来了。 [code=java] public class VolatileVisibilitySample { private boolean initFlag = false; static Object object = new Object(); public void refresh(){ this.initFlag = true; //普通写操作，(volatile写) String threadname = Thread.currentThread().getName(); System.out.println("线程："+threadname+":修改共享变量initFlag"); } public void load(){ String threadname = Thread.currentThread().getName(); int i = 0; // 全局变量 while (!initFlag){ i++; } System.out.println("线程："+threadname+"当前线程嗅探到init [/code]
- MurasakiSeiFu回复MurasakiSeiFu 2020.05.09
  [reply]MurasakiSeiFu[/reply][code=java] public static void main(String[] args){ VolatileVisibilitySample sample = new VolatileVisibilitySample(); Thread threadA = new Thread(()->{ sample.refresh(); },"threadA"); Thread threadB = new Thread(()->{ sample.load(); },"threadB"); threadB.start(); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } threadA.start(); } [/code] 代码这回全了

shuizhilong2008 2019.11.03
既然CPU有了MESI协议可以保证cache的一致性，那么为什么还需要volatile这个关键词来保证可见性(内存屏障)？或者是只有加了volatile的变量在多核cpu执行的时候才会触发缓存一致性协议？针对这个问题给与的第一个解释感觉还是无法理解，MESI协议中针对状态为I(invalid)的缓存行，如果其它Cache有这份数据，且状态为M，则将数据更新到内存，本Cache再从内存中取数据，2个Cache 的Cache line状态都变成S，针对这个问题在网上也搜了其他一些人的回答，看了后感觉还是稀里糊涂的
- weixin_44292887回复张名佳 2021.11.24
  它是一种弱一致性，也就是说他不会立马把数据同步刷到主内存中，可能更改了某个值之后cpu又去做别的事了，等回来之后可能才会同步到主内存，而volatile是修改完直接同步到主内存，同时其他的高速缓存嗅探到总线上有这个变量的写操作，就会把自己的这个缓存置为无效，要读的时候只能从主内存中再去读，保证了可见性
- way365回复shuizhilong2008 2021.04.15
  https://blog.youkuaiyun.com/weixin_46215617/article/details/115433851 看这篇文章，因为Store Buffer和Invalidate Queue的存在
- 张名佳回复shuizhilong2008 2021.04.14
  个人理解缓存一致性协议是保证一致性，是一个协议，但是cpu不可能总是保持缓存一致性的触发，比如编译器的指令重拍序就打乱了，所以通过volatile这个指令触发内存屏障，达到这个目的，难不成上了java就搞lock函数给我们用吧
- fengxianaa回复我能想到的 2021.03.10
  同理同理，有答案了么，
- fengxianaa回复shuizhilong2008 2021.03.10
  同理同理
- MurasakiSeiFu回复Mrkang1314 2020.05.26
  [reply]mashaokang1314[/reply]回答正解。
- javartisan回复shuizhilong2008 2020.03.02
  [reply]shuizhilong2008[/reply]个人理解是为了禁止编译器优化导致的不一致
- RhythmCoder回复shuizhilong2008 2020.01.17
  [reply]shuizhilong2008[/reply]也许是底层只保证弱的缓存一致性，因为即使完全遵守缓存一致性也会被重排序问题导致程序错误。volatile利用内存屏障保证有序性，并且在执行读内存屏障的时候强制处理invalidate queue来保证剩余的缓存一致性问题？
- P19777回复shuizhilong2008 2019.11.19
  [reply]shuizhilong2008[/reply] 有同样的问题，请问有答案了吗？
- 我能想到的回复Mrkang1314 2019.11.15
  [reply]mashaokang1314[/reply] 这个文章上半部分写的cpu部分完全正确，最后提出的问题也是一直困扰我的问题，既然cpu层面已经通过MESI保证了多核cache的一致性问题，那么volatile关键字有什么用？后面的回答不能说牵强，而是明显不对的，虽然我也不知道正确答案，但是我觉得你已经把java多线程内存模型和cpu底层已经混淆了，正确答案依然在探索的道路上！我太难了！！！！
- Mrkang1314回复shuizhilong2008 2019.11.04
  [reply]shuizhilong2008[/reply] 我觉得应该是使用Volatile修饰的变量在操作时指令会携带#lock前缀，这个前缀会被识别，然后开启缓存一致性。