【深度长文】学好并发编程不一定需要了解的MESI和内存屏障

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本文详细介绍了并发编程中的MESI协议和内存屏障，讲解了CPU多核架构下的缓存一致性问题及其解决方案。文章通过实例探讨了MESI协议的工作原理、性能优化手段，并解释了内存屏障在不同层面的实现与作用，强调了Java中的happends-before原则。通过对底层原理的理解，有助于提升并发编程的能力。

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学好并发编程不一定需要了解的MESI和内存屏障

开篇
一、不同CPU设计的区别
二、缓存一致性协议（MESI）
三、内存屏障
四、happends-before
五、总结内存屏障
六、再聊一点 JMM工作内存和 CPU MESI之间的关系
最后要声明一些东西

一个从腾讯毕业的孩子，将自己的文章搬运出来

开篇

并发编程一直围绕着3个要素展开，分别是原子性、有序性、可见性。

对于使用者来说，可以通过学习使用一些并发工具类来保证三要素。

例如Java：

synchronize保证了原子性、可见性。（如果撇开DCL问题的话，所有变量都在同步代码块内处理的话，甚至也可以说保证了不同同步代码块之间的有序性）
ReentrantLock等保证原子性、可见性、有序性
volatile保证了可见性、有序性

又例如Golang：

sync.Mutex sync.RWMutex 保证了原子性、可见性
channel技术可以用于保证可见性、有序性

那么本篇文章，主要围绕的是可见性和有序性。语言给定了规则，我们只要遵守相应的规则，使用相应的工具类开发，就能保证并发安全。那么它的底层究竟是怎么工作的，今天的文章希望能给大家带来帮助，同时因为偏底层，如果有错误的地方，欢迎指正～

在进入主题之前，首先我们来看两段经典的伪代码

// cpu0和cpu1方法分别模拟2个CPU正在并行
public class Demo {

    int value = 0;
    boolean done = false;

    void cpu0() {
        value = 10;
        done = true;
    }

    void cpu1() {
        while (!done) {
        }
      	System.out.println(value == 10);
    }
}

package main

var value = 0
var done = false

func setup() {
	value = 10
	done = true
}

func main() {
	go setup()
  
	for !done {
	}
	println(value == 10)
}

看完上述的代码，它的输出结果是什么吗？以及为什么？

答案是不确定，要分很多种情况讨论。

第一段Java代码中，造成输出结果不确定的原因有

while (!done) 这段代码很危险，如果done没有用volatile修饰，那么极大可能会出现，编译器将它优化为 while (1) 或者每次都直接从寄存器里取值，就导致原本我们希望通过变量done来控制循环结束，但编译器把它变成一个死循环。而这段代码我在生活中也实验过，如果while (!done) 循环体里面没有任何代码，就极大可能出现死循环。而如果任意插入一段代码，就能破除这个问题。（具体原理还没深究）

cpu0 中的数据不存在依赖性，因此允许重排序。因此done=true时，并不能保证value=10 已经执行

尽管在cpu0 中没有进行重排序，但是由于不存在happends-before的保证，因此cpu0 和 cpu1不存在可见性的保证