从CPU缓存一致性到Volatile

CPU缓存一致性

首先聊一聊什么是CPU缓存一致性，CPU Cache通常分为三级缓存：L1 Cache、L2 Cache 、L3 Cache，那么在CPU的多级缓存结构中，每个CPU的逻辑核心都有自己的L1 Cache，共享L2 Cache和L3 Cache；每个CPU的物理核心都有自己的L2 Cache，共享L3 Cache。所有CPU核心共享L3 Cache。所有CPU共享主内存。

如图所示，这些缓存的数据都是从内存中读取，并且每次都会加载一次Cache Line。我们可以从下图看出Cache Line是油各种标志（Tag）和+数据库（block）组成的。

CPU Cache与内存一致性问题

写直达（Write Through）

在这个策略里，每次数据都需要写入到主内存里面。举个例子，有个变量s，cpu操作变量s时，先检查 Cache Line里面有没有变量s，如果有则先更新Cache Line中的值，然后再写入到主内存；如果没有则直接写入到主内存。

写回策略（Write Back）

相对于写直达不管有没有在Cache Line中都要更新到内存而影响性能，在写回策略中，当CPU要操作变量s时，如果发现变量s就在Cache Line里面，那么只需要更新Cache Line里面的数据，并将这个Block标记为脏（Dirty）的，意味着这个Block跟内存是不一致的，这种情况是不会写入到内存里的；

那么如果写入的数据所对应的 Cache Block 里，放的是别的内存地址的数据，那么我们要看看那个Cache Block有没有被标记为脏，如果为脏则需要先将Cache Block里面的数据写入到内存中，然后再将当前数据写入Cache Block并标记为脏；如果没有那个Cache Block没有被标记为脏，则直接写入要Cache Line里，然后把Cache Block标记为脏即可。

何为缓存一致性问题

举个例子，当一台计算机是由多核CPU构成时，为了性能根据上面所说的写回策略，CPU-01从内存中加载了变量X，并将变量X改为9527（初始值为0）写入L1/L2 Cache中，并没有写入到主内存中，这时CPU-02从内存中读取变量X的值，则会读到错误的值，因为CPU-01没有更新变量X到内存中，此时内存中的值仍旧为0，这就是所谓的缓存一致性问题。那么要解决这个问题我们需要做到以下两点：

写传播：当前Cache中修改的值需要通知其他CPU
事务串行化：某个CPU核心里对数据的操作顺序，在其他核心看起来是一样的，例：CPU-01先将变量X改为9527再+1，CPU-02根据当前变量X的值再进行+2，那么必须要保证变量X先经历了加9527再加1再加2。

总线嗅探

总线嗅探就是实现写传播最常用的方式，就拿上面的变量X解释一下总线嗅探的工作机制，当CPU-01中L1 Cache修改了变量X中的值，它就会通过总线广播通知其他核心，当其他核心例如CPU-02发现自己的L1 Cache中也有这个值时就会将CPU-01中L1 Cache的值更新自己L1 Cache中。但是这种方式缺点很明显，需要其他核心无时无刻的监听总线上的一切活动，而且还不一定跟自己有关，这不是给总线增加了压力嘛。且不能保证事务串行化。

MESI协议

MESI是总线嗅探的改良版，他能很好的解决了总线的带宽压力，以及很好的解决了数据一致性问题。那么在介绍MESI之前，我们必须了解以下MESI是什么。

M：Modified（已修改）：处于M状态的缓存行有效，表示数据已经被修改，且修改后的数据只在当前CPU缓存中存在，而这个数据在其他CPU缓存中不存在。
E：Exclusive（独占）：处于E状态的缓存行有效，表示当前CPU将数据加载到自己的缓存中并且未修改，而其他CPU缓存中并没有这个数据。
S：Shared（共享）：处于S状态的缓存行有效，说明数据存在于CPU的多个高速缓存中，且每个缓存中的数据与主内存中的数据一致。
I：Invalid（已失效）：处于I状态的缓存行无效，如果缓存行处于S状态，当其中一个CPU修改了缓存行的数据，则会通知其他CPU这个数据被修改了，其他CPU中对应的该缓存行的状态将被标为I。

那么介绍完这几个状态，我们不妨用一个例子来加深印象：

首先CPUA要加载变量i，发现变量i不在cache中，于是去内存中加载数据，此时通过总线发消息通知其他CPU核心，其他CPU核心中没有缓存该数据，于是当前CPU的缓存行状态标记为E。
当CPUB也加载了这个数据时，会发送消息通知其他CPU核心，会发现CPUA也有这个数据并且状态为E，那么CPUA中的缓存行的状态会由E变为S，CPUB中的缓存行的状态为S。
此时CPUA要修改了变量i的值，发消息通知其他CPU核心，其他CPU核心收到消息后将缓存行的状态变为I，CPUA修改完数据后将缓存行的状态设置为M。
如果CPUA继续修改变量i的值，当它看到缓存行的状态为M，说明它当前缓存行中的值是最新的数据，那么它就不会发送消息通知其他CPU核心，直接更新即可。
当CPUB要读取主内存中的数据时，发出读取数据的指令；CPUA感知到CPUB要读取数据就会将修改后的变量i同步到主内存中，并将缓存行的状态修改为E，以便CPUB可以读取到最新的数据。当CPUB读取到数据后，将缓存行的状态由I修改为S，CPUA将缓存行的状态由E修改为S。

下图即是 MESI 协议的状态图：

volatile关键字

基于JMM了解volatile

注意，这里JMM 是语言级的内存模型，并非我们平时所认为的内存模型，它的出现是向程序员提供抽象模型，简化和屏蔽硬件底层的细节。我们都知道volatile可以保证变量的可见性，那么从JMM模型上来看，它保证可见性方式很简单。如下图所示

由于是volatile变量，JMM会把线程1本地缓存中修改后的共享变量立即刷新到主内存
线程2读取，同样因为volatile修饰的原因，JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效，直接从主存中获取，从而保证缓存一致性。

volatile保证可见性代码示例

下面这段代码，读者可以删除变量num的volatile关键字进行验证，有无volatile的区别。

java 复制代码

public class VolatileDemo {

    private volatile static int a= 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (a== 0) {
            }
            System.out.println("t2得知a已被修改为:1" );
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                a=1;
          		System.out.println("t2修改a为1" );
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

这边笔者先揭秘下结论，我们先聊聊加上volatile的情况，假设这两个线程在不同CPU上执行。

线程t1获取到共享变量a的值，此时并没有其他核心CPU获取到，状态为E。
后续线程t2启动获取到a的值，并且总线嗅探到另一个CPU也持有该共享变量，所以两个CPU缓存行都设置为S。
线程t2修改变量a的值，通过总线嗅探机制发起通知，线程t1的线程收到消息后，将缓存行变量设置为I。
线程t1下次获取变量会从主内存中获取，因此结束死循环。

不加volatile，线程t1无法感知到变量值的改变，会一直读取CPU缓存行中的值，导致死循环。

volatile禁止指令重排序

volatile能够禁止指令重排序，从而能够避免在高并发环境中多个线程之间出现乱序执行的情况。volatile禁止指令重排序是通过内存屏障实现的。我们不妨看一段双重锁校验的单例模式代码，代码如下：

java 复制代码

public class SingletonLanHan {

    private SingletonLanHan() {
    }
    /**
     * 单例模式懒汉式双重校验锁[推荐用]
     * 懒汉式变种,属于懒汉式的最好写法,保证了:延迟加载和线程安全
     */
    private static volatile SingletonLanHan SINGLETONLANHAN =null;

    public static SingletonLanHan getSingLetonLanHan() {
    	//先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
        if (SINGLETONLANHAN == null) {
       	   //类对象加锁
            synchronized (SingletonLanHan.class) {
                if (SINGLETONLANHAN == null) {
                    SINGLETONLANHAN = new SingletonLanHan();
                }
            }
        }
        return SINGLETONLANHAN;
    }
}

这一操作看似保证原子性，实际编译后再执行的机器码会将其分为3个动作:

为SINGLETONLANHAN 引用分配内存空间
初始化SINGLETONLANHAN
SINGLETONLANHAN 指向分配的内存空间

上诉代码正常会按照1、2、3的顺序执行，可是如果没有volatile禁止指令重排序的话，可能会出现1、3、2的顺序，这样会导致其中一个线程创建了一个为初始化且不为空的对象，当另一个线程操作判断不为空后返回出去，就会产生异常。

volatile的局限性

volatile，虽然能够保证数据的可见性和有序性，但是无法保证数据的原子性，我们来看下经典案例

java 复制代码

public class VolatileAdd {

    private static int num = 0;

    private void increase() {
        num++;
    }
    

    public static void main(String[] args) {
        int size = 1000;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(size);
        VolatileAdd volatileAdd = new VolatileAdd();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            executorService.submit(() -> {
                try {
                    countDownLatch.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                volatileAdd.increase();
            });
        }
        countDownLatch.countDown();
        executorService.shutdown();
        while (!executorService.isTerminated()) {

        }
        System.out.println(VolatileAdd.num);
    }
}

在运行上诉代码时，在绝大部分情况下输出的count结果小于1000，说明volatile不能保证数据的原子性。

保证原子性的解决方案

1、lock

java 复制代码

Lock lock = new ReentrantLock();
private void lockIncrease() {
        lock.lock();
        try {
            num++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

2、synchronize

java 复制代码

    private synchronize void increase() {
        num++;
    }

3、原子类

java 复制代码

 private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
 
 private void atomicIncrease() {
        atomicInteger.getAndIncrement();
 }

参考文献

CPU 缓存一致性

深入理解高并发编程

吃透Java并发：volatile是怎么保证可见性的

volatile 三部曲之可见性