内存模型是怎么解决缓存一致性的？

在再有人问你Java内存模型是什么，就把这篇文章发给他。这篇文章中，咱们介绍过关于Java内容模型的前因后果。

咱们在文章中提到过，因为CPU和主存的处理速度上存在必定差异，为了匹配这种差距，提高计算机能力，人们在CPU和主存之间增长了多层高速缓存。每一个CPU会有L一、L2甚至L3缓存，在多核计算机中会有多个CPU，那么就会存在多套缓存，那么这多套缓存之间的数据就可能出现不一致的现象。为了解决这个问题，有了内存模型。内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操做行为的规范。经过这些规则来规范对内存的读写操做，从而保证指令执行的正确性。

不知道小伙伴们有没有想过这样的问题：内存模型究竟是怎么保证缓存一致性的呢？

接下来咱们试着回答这个问题。首先，缓存一致性是因为引入缓存而致使的问题，因此，这是不少CPU厂商必须解决的问题。为了解决前面提到的缓存数据不一致的问题，人们提出过不少方案，一般来讲有如下2种方案：

 

在早期的CPU当中，是经过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。由于CPU和其余部件进行通讯都是经过总线来进行的，若是对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其余CPU对其余部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码彻底执行完毕以后，其余CPU才能从其内存读取变量，而后进行相应的操做。这样就解决了缓存不一致的问题。

可是因为在锁住总线期间，其余CPU没法访问内存，会致使效率低下。所以出现了第二种解决方案，经过缓存一致性协议来解决缓存一致性问题。

缓存一致性协议

缓存一致性协议（Cache Coherence Protocol），最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每一个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。

MESI的核心的思想是：当CPU写数据时，若是发现操做的变量是共享变量，即在其余CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其余CPU将该变量的缓存行置为无效状态，所以当其余CPU须要读取这个变量时，发现本身缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存从新读取。

在MESI协议中，每一个缓存可能有有4个状态，它们分别是：

 

关于MESI的更多细节这里就不详细介绍了，读者只要知道，MESI是一种比较经常使用的缓存一致性协议，他能够用来解决缓存之间的数据一致性问题就能够了。

可是，值得注意的是，传统的MESI协议中有两个行为的执行成本比较大。

一个是将某个Cache Line标记为Invalid状态，另外一个是当某Cache Line当前状态为Invalid时写入新的数据。因此CPU经过Store Buffer和Invalidate Queue组件来下降这类操做的延时。

如图：

当一个CPU进行写入时，首先会给其它CPU发送Invalid消息，而后把当前写入的数据写入到Store Buffer中。而后异步在某个时刻真正的写入到Cache中。

当前CPU核若是要读Cache中的数据，须要先扫描Store Buffer以后再读取Cache。

可是此时其它CPU核是看不到当前核的Store Buffer中的数据的，要等到Store Buffer中的数据被刷到了Cache以后才会触发失效操做。

而当一个CPU核收到Invalid消息时，会把消息写入自身的Invalidate Queue中，随后异步将其设为Invalid状态。

和Store Buffer不一样的是，当前CPU核心使用Cache时并不扫描Invalidate Queue部分，因此可能会有极短期的脏读问题。

因此，为了解决缓存的一致性问题，比较典型的方案是MESI缓存一致性协议。

MESI协议，能够保证缓存的一致性，可是没法保证明时性。

内存模型

 

前面介绍过了缓存一致性模型，接着咱们再来看一下内存模型。咱们说过内存模型定义一系列规范，来保证多线程访问共享变量时的可见性、有序性和原子性。（更多内容请参考再有人问你Java内存模型是什么，就把这篇文章发给他。）

内存模型（Memory Model）若是扩展开来讲的话，一般指的是内存一致性模型（Memory Sequential Consistency Model）

前面咱们提到过缓存一致性，这里又要说内存一致性，不是故意要把读者搞蒙，而是但愿经过对比让读者更加清楚。

缓存一致性（Cache Coherence），解决是多个缓存副本之间的数据的一致性问题。

内存一致性（Memory Consistency），保证的是多线程程序访问内存时能够读到什么值。

咱们首先看如下程序：

 

其中，S一、S二、L一、L2是语句代号（S表示Store，L表示Load）；r1和r2是两个寄存器。x和y是两个不一样的内存变量。两个线程执行完以后，r1和r2多是什么值？

注意到线程是并发、交替执行的，下面是可能的执行顺序和相应结果：

 

这些都是意料以内、情理之中的。可是在x86体系结构下，极可能获得r1=0 r2=0这样的结果。

若是没有Memory Consistency，程序员写的程序代码的输出结果是不肯定的。

所以，Memory Consistency就是程序员（编程语言）、编译器、CPU间的一种协议。这个协议保证了程序访问内存时会获得什么值。

简单点说，内存一致性，就是保证并发场景下的程序运行结果和程序员预期是同样的（固然，要经过加锁等方式），包括的就是并发编程中的原子性、有序性和可见性。而缓存一致性说的就是并发编程中的可见性。

在不少内存模型的实现中，关于缓存一致性的保证都是经过硬件层面缓存一致性协议来保证的。须要注意的是，这里提到的内存模型，是计算机内存模型，而非Java内存模型。

总结

缓存一致性问题。硬件层面的问题，指的是因为多核计算机中有多套缓存，各个缓存之间的数据不一致性问题。

PS：这里还须要再重复一遍，Java多线程中，每一个线程都有本身的工做内存，须要和主存进行交互。这里的工做内存和计算机硬件的缓存并非一回事儿，只是能够相互类比。因此，并发编程的可见性问题，是由于各个线程之间的本地内存数据不一致致使的，和计算机缓存并没有关系。

缓存一致性协议。用来解决缓存一致性问题的，经常使用的是MESI协议。

内存一致性模型。屏蔽计算机硬件问题，主要来解决并发编程中的原子性、有序性和一致性问题。

实现内存一致性模型的时候可能会用到缓存一致性模型。

思考

 

最后，再给你们留一道思考题：

既然在硬件层面，已经有了缓存一致性协议，能够保证缓存的一致性即并发编程中的可见性，那么为何在写多线程的代码的时候，程序员要本身使用volatile、synchronized等关键字来保证可见性？

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