Java多线程里总线锁定和缓存一致性的问题
Java多线程里总线锁定和缓存一致性的问题
小欣妹妹 发表于4个月前
Java多线程里总线锁定和缓存一致性的问题
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随着多核时代的到来,并发操作已经成了很正常的现象,操作系统必须要有一些机制和原语,以保证某些基本操作的原子性,比如处理器需要保证读一个字节或写一个字节是原子的,那么它是如何实现的呢?有两种机制:总线锁定和缓存一致性。下面,尚学堂陈老师简单为大家分享总线锁定和缓存一致性的问题。
我们知道,CPU和物理内存之间的通信速度远慢于CPU的处理速度,所以CPU有自己的内部缓存,根据一些规则将内存中的数据读取到内部缓存中来,以加快频繁读取的速度。我们假设在一台PC上只有一个CPU和一份内部缓存,那么所有进程和线程看到的数都是缓存里的数,不会存在问题;但现在服务器通常是多 CPU,更普遍的是,每块CPU里有多个内核,而每个内核都维护了自己的缓存,那么这时候多线程并发就会存在缓存不一致性,这会导致严重问题。
以 i++为例,i的初始值是0.那么在开始每块缓存都存储了i的值0,当第一块内核做i++的时候,其缓存中的值变成了1,即使马上回写到主内存,那么在回写之后第二块内核缓存中的i值依然是0,其执行i++,回写到内存就会覆盖第一块内核的操作,使得最终的结果是1,而不是预期中的2.


那么怎么解决整个问题呢?操作系统提供了总线锁定的机制。前端总线(也叫CPU总线)是所有CPU与芯片组连接的主干道,负责CPU与外界所有部件的通信,包括高速缓存、内存、北桥,其控制总线向各个部件发送控制信号、通过地址总线发送地址信号指定其要访问的部件、通过数据总线双向传输。在CPU1要做 i++操作的时候,其在总线上发出一个LOCK#信号,其他处理器就不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存,也就是阻塞了其他CPU,使该处理器可以独享此共享内存。
但我们只需要对此共享变量的操作是原子就可以了,而总线锁定把CPU和内存的通信给锁住了,使得在锁定期间,其他处理器不能操作其他内存地址的数据,从而开销较大,所以后来的CPU都提供了缓存一致性机制,Intel的奔腾486之后就提供了这种优化。
缓存一致性机制整体来说,是当某块CPU对缓存中的数据进行操作了之后,就通知其他CPU放弃储存在它们内部的缓存,或者从主内存中重新读取,如下图:


这里以在Intel系列中广泛使用的MESI协议详细阐述下其原理。
MESI协议
MESI 协议是以缓存行(缓存的基本数据单位,在Intel的CPU上一般是64字节)的几个状态来命名的(全名是Modified、Exclusive、 Share or Invalid)。该协议要求在每个缓存行上维护两个状态位,使得每个数据单位可能处于M、E、S和I这四种状态之一,各种状态含义如下:
M:被修改的。处于这一状态的数据,只在本CPU中有缓存数据,而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说,是已经被修改的,且没有更新到内存中。
E:独占的。处于这一状态的数据,只有在本CPU中有缓存,且其数据没有修改,即与内存中一致。
S:共享的。处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存,且与内存一致。
I:无效的。本CPU中的这份缓存已经无效。
这里首先介绍该协议约定的缓存上对应的监听:
一个处于M状态的缓存行,必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。
一个处于S状态的缓存行,必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为I。
一个处于E状态的缓存行,必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为S。
当CPU需要读取数据时,如果其缓存行的状态是I的,则需要从内存中读取,并把自己状态变成S,如果不是I,则可以直接读取缓存中的值,但在此之前,必须要等待其他CPU的监听结果,如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M,则需要等待其把缓存更新到内存之后,再读取。
当CPU需要写数据时,只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行,否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership,这是一种总线事务),通知其他CPU置缓存无效(I),这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后,修改其缓存状态为M。
所以如果一个变量在某段时间只被一个线程频繁地修改,则使用其内部缓存就完全可以办到,不涉及到总线事务,如果缓存一会被这个CPU独占、一会被那个CPU 独占,这时才会不断产生RFO指令影响到并发性能。这里说的缓存频繁被独占并不是指线程越多越容易触发,而是这里的CPU协调机制,这有点类似于有时多线程并不一定提高效率,原因是线程挂起、调度的开销比执行任务的开销还要大,这里的多CPU也是一样,如果在CPU间调度不合理,也会形成RFO指令的开销比任务开销还要大。当然,这不是编程者需要考虑的事,操作系统会有相应的内存地址的相关判断,这不在本文的讨论范围之内。
并非所有情况都会使用缓存一致性的,如被操作的数据不能被缓存在CPU内部或操作数据跨越多个缓存行(状态无法标识),则处理器会调用总线锁定;另外当CPU不支持缓存锁定时,自然也只能用总线锁定了,比如说奔腾486以及更老的CPU。
 

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小欣妹妹
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