MESI一致性協(xié)議

小陳：老王，上一章你讓我看看MESI一致性協(xié)議，我大概了解了一下。

老王：哦，來說說你對MESI一致性協(xié)議的理解

小陳：MESI協(xié)議也叫做緩存一致性協(xié)議，主要是用來進(jìn)行協(xié)調(diào)多核CPU的高級緩存的數(shù)據(jù)一致的。第一章的時候講過，CPU多級緩存架構(gòu)，存在多個高速緩存之間數(shù)據(jù)一致性的問題。

老王：哦，第一章講的多核CPU高速緩存之間的數(shù)據(jù)一致性問題，你還記得啊，哈哈，那你來說說。

小陳：當(dāng)然，當(dāng)時我可以記在小本本里面的，就等著你來講這事的呢，沿用第一篇的那個圖來講一下：

（1）看下面的圖，假如兩個CPU0、CPU1同時將 i = 0 讀取進(jìn)入自己的高速緩存

（2）然后CPU0執(zhí)行得比較快，執(zhí)行完 i++操作之后將 i=1 的結(jié)果刷回主存了

（3）但是CPU1并不知道數(shù)據(jù)已經(jīng)變更了，還是使用 i = 0 的結(jié)果去進(jìn)行 i++ 操作

（4）本來正確的結(jié)果應(yīng)該是 i = 2的，結(jié)果執(zhí)行了兩次i++，結(jié)果卻是1

老王：沒錯，當(dāng)時討論多核CPU的高速緩存的時候，留了這個問題；看來你還記得這個問題，很好很好，掌聲鼓勵一下！

小陳：嘿嘿，突然的夸我，怪不好意思的......

小陳：造成上面數(shù)據(jù)不一致的原因主要是因為，CPU0修改了數(shù)據(jù)之后，沒有機(jī)制能夠通知到CPU1，讓CPU1它高速緩存上這個變量的數(shù)據(jù)失效掉，導(dǎo)致CPU1計算的時候還是使用舊的值。

所以要解決多核CPU的高速緩存數(shù)據(jù)一致性的問題，必須有個機(jī)制能夠某個CPU0修改了數(shù)據(jù)之后，立即通知的CPU1，讓CPU1的高速緩存上的這個變量數(shù)據(jù)失效掉；然后CPU1用到的時候重新重主內(nèi)存讀取最新的值，這樣就能得到最新的結(jié)果了。

小陳：MESI實(shí)現(xiàn)的緩存一致性協(xié)議，正是CPU0修改了數(shù)據(jù)，通知到CPU1的那套通知機(jī)制的一種規(guī)范，計算機(jī)廠商根據(jù)這套規(guī)范實(shí)現(xiàn)了這種通知機(jī)制，但是不同的廠商之間實(shí)現(xiàn)方式可能稍微不同。

老王：哎呀呀，不錯啊。看來兩天不見，你竟然把問題研究得這么深入了。

小陳：那是，問了看懂這個MESI協(xié)議，我可是連續(xù)肝了兩天晚上，點(diǎn)了無數(shù)根華子...

老王：孺子可教也，那你繼續(xù)來說說MESI的緩存一致性的內(nèi)容

小陳：MESI一致性協(xié)議定義了高速緩存中數(shù)據(jù)的4中狀態(tài)，分別是：

M（Modified）: 修改過的，只有一個CPU能獨(dú)占這個修改狀態(tài)，獨(dú)占的意思是當(dāng)有一個CPU的高速緩存數(shù)據(jù)處于這個狀態(tài)的時候，其它CPU的高速緩存對這個共享的數(shù)據(jù)均不能操作；高速緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)生了更新，需要被刷入主內(nèi)存中。

E（Exclusive）: 獨(dú)占狀態(tài)，只有一個CPU能獨(dú)占這個狀態(tài)，同樣當(dāng)某個CPU的高速緩存的數(shù)據(jù)處于這個狀態(tài)的時候，其它CPU的均不能操作這個共享數(shù)據(jù)

S（Share）：共享的狀態(tài)，當(dāng)CPU的高速緩存中的數(shù)據(jù)這個狀態(tài)的時候，各個CPU可以并發(fā)的對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取

I（Invalid）：無效的，意思是當(dāng)前高速緩存的這個數(shù)據(jù)已經(jīng)是無效了或者過期了，不能使用。

老王：那你繼續(xù)來說說，MESI這四種狀態(tài)是怎么來解決多核CPU高速緩存數(shù)據(jù)一直的？

小陳：好，下面我畫幾張圖來i講一下：

（1）首先像下面的圖一樣，CPU0、CPU1將共享變量 i = 0 讀取，進(jìn)入自己高速緩存的時候；緩存的狀態(tài)是S，也就是共享的

（2）然后CPU0要對 i = 0 的變量進(jìn)行修改操作，在MESI一致性里面大概會經(jīng)過這些步驟：

1. CPU0發(fā)送消息給總線，說我要修改數(shù)據(jù)了，幫我通知一下其它的CPU

2. 其它的CPU收到總線通知消息，將自己高速緩存上 i = 0 的數(shù)據(jù)狀態(tài)變?yōu)镮nvalid過期

3. 其它CPU返回給總線說我們都過期了

4. 總線收到其它CPU返回過期OK了

5. 總線返回給CPU0說，好了，其它CPU都通知到位了，它們高速緩存上的 i = 0的數(shù)據(jù)都是過期狀態(tài)了

6. CPU0收到了過期確認(rèn)，都過期了，那我就可以獨(dú)占這份數(shù)據(jù)了，嘿嘿，準(zhǔn)備可以修改數(shù)據(jù)了

（3）CPU0修改數(shù)據(jù)，刷新回主內(nèi)存，還會經(jīng)過這些步驟：

7. CPU0執(zhí)行 i++ 操作，將 i = 1 的最新結(jié)果刷入到高速緩存中，同時將高速緩存的數(shù)據(jù)狀態(tài)設(shè)為M（修改過的）

8. 然后將高速緩存中 i = 1 的最新結(jié)果又刷入主內(nèi)存中

（4）CPU1要讀取數(shù)據(jù)操作，發(fā)現(xiàn)高速緩存上數(shù)據(jù)過期了，回經(jīng)過下面步驟：

9. CPU1發(fā)現(xiàn)自己高速緩存上 i = 0 的數(shù)據(jù)是 Invalid 過期狀態(tài)，于是從主存重新讀取

10. 然后CPU1從主內(nèi)存讀取到 i = 1的最新的數(shù)據(jù)，將自己狀態(tài)設(shè)置成S

小陳：上面就是我理解的MESI一致性協(xié)議在多核CPU之間進(jìn)行協(xié)調(diào)的原理

老王：牛啊，小陳；短短兩天時間你理解到這個程度，這理解能力很不錯了，頗有我當(dāng)年的風(fēng)范啊.....

小陳：......

老王：就MESI一致性協(xié)議來說，你理解到這個程度已經(jīng)可以了；再往下層次就是各個計算機(jī)廠商在硬件層面實(shí)現(xiàn)的差異了，這個我也不懂了，理解到這里已經(jīng)非常不錯了...

小陳：老王，我記得你跟我說JAVA內(nèi)存模型的時候，每個線程在JMM中都有自己的工作內(nèi)存。每個線程的工作內(nèi)存都有共享變量的一個副本，這多個工作內(nèi)存的變量副本之間也可能存在數(shù)據(jù)不一致的情況。

老王：嗯嗯怎了了？

小陳：我回顧了之前JMM的圖，是這樣子的：

小陳：多個工作內(nèi)存之間共享變量x的副本，可能數(shù)據(jù)不一致，這個數(shù)據(jù)不一致的可見性問題在JMM層次是怎么解決的？

老王：你想想，Java內(nèi)存模型建立在多核CPU高速緩存之上對不對？

小陳：是的

老王：那JAVA內(nèi)存模型對應(yīng)到底層肯定也是操作主內(nèi)存、操作高速緩存來操作數(shù)據(jù)的，既然多核CPU的緩存一致性又是通過MESI協(xié)議來達(dá)到一致性的。所以啊，JAVA內(nèi)存模型底層其實(shí)也還是通過MESI一致性來使得一個線程修改了數(shù)據(jù)，把別的線程的工作內(nèi)存副本數(shù)據(jù)弄失效的。

小陳：哦哦，原來JAVA內(nèi)存模型底層也是通過MESI來使得別的線程的工作內(nèi)存變量副本失效的啊。

老王：嗯嗯，沒錯的。

小陳：底層的原理我知道了，那在JAVA編程的層次又是怎么來做的？

老王：那就是下面要講的文章了，前面的幾篇文章和這一篇我們都是討論在底層原理層次。真正在使用層次來說，volatile、synchronized、cas、鎖等都用到了這些底層原理。

老王：下面我們就先來討論volatile這個關(guān)鍵字，看看它是怎么來保證可見性的？

小陳：好啊，我期待一波......

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以上是生活随笔為你收集整理的4.什么是MESI缓存一致性协议？怎么解决并发的可见性问题？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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