MESI硬件级原理

高速缓存

处理器高速缓存的底层数据结构实际是一个拉链散列表的结构，就是有很多个bucket，每个bucket挂了很多的cache entry，每个cache entry由三个部分组成：tag、cache line和flag，其中的cache line就是缓存的数据，tag指向了这个缓存数据在主内存中的数据的地址，flag标识了缓存行的状态，另外要注意的一点是，cache line中可以包含多个变量的值。

处理器在读写高速缓存的时候，实际上会根据变量名执行一个内存地址解码的操作，解析出来3个东西，index、tag和offset。index用于定位到拉链散列表中的某个bucket，tag是用于定位cache entry，offset是用于定位一个变量在cache line中的位置。

MESI协议

invalid：无效的，标记为I，这个意思就是当前cache entry无效，里面的数据不能使用；
shared：共享的，标记为S，这个意思是当前cache entry有效，而且里面的数据在各个处理器中都有各自的副本，但是这些副本的值跟主内存的值是一样的，各个处理器就是并发的在读而已；
exclusive：独占的，标记为E，这个意思就是当前处理器对这个数据独占了，只有他可以有这个副本，其他的处理器都不能包含这个副本；
modified：修改过的，标记为M，只能有一个处理器对共享数据更新，所以只有更新数据的处理器的cache entry，才是exclusive状态，表明当前线程更新了这个数据，这个副本的数据跟主内存是不一样的；

MESI协议规定了一组消息，就说各个处理器在操作内存数据的时候，都会往总线发送消息，而且各个处理器还会不停的从总线嗅探最新的消息，通过这个总线的消息传递来保证各个处理器的协作。

处理器0读取某个变量的数据时，首先会根据index、tag和offset从高速缓存的拉链散列表读取数据，如果发现状态为I，也就是无效的，此时就会发送read消息到总线接着主内存会返回对应的数据给处理器0，处理器0就会把数据放到高速缓存里，同时cache entry的flag状态是S；
在处理器0对一个数据进行更新的时候，如果数据状态是S，则此时就需要发送一个invalidate消息到总线，尝试让其他的处理器的高速缓存的cache entry全部变为I，以获得数据的独占锁；
其他的处理器1会从总线嗅探到invalidate消息，此时就会把自己的cache entry设置为I，也就是过期掉自己本地的缓存，然后就是返回invalidate ack消息到总线，传递回处理器0，处理器0必须收到所有处理器返回的ack消息；
接着处理器0就会将cache entry先设置为E，独占这条数据，在独占期间，别的处理器就不能修改数据了，因为别的处理器此时发出invalidate消息，这个处理器0是不会返回invalidate ack消息的，除非他先修改完再说；
接着处理器0就是修改这条数据，接着将数据设置为M，也有可能是把数据此时强制写回到主内存中，具体看底层硬件实现；
其他处理器此时这条数据的状态都是I了，那如果要读的话，全部都需要重新发送read消息，从主内存（或者是其他处理器的高速缓存）来加载；

优化

MESI协议如果每次写数据的时候都要发送invalidate消息等待所有处理器返回ack，然后获取独占锁后才能写数据，那可能就会导致性能很差了，因为这个对共享变量的写操作，实际上在硬件级别变成串行的了，为了解决这个问题，硬件层面引入了写缓冲器和无效队列。

写缓冲器：写缓冲器的作用是，一个处理器写数据的时候，直接把数据写入缓冲器，同时发送invalidate消息，然后就认为写操作完成了，接着就干别的事儿了，不会阻塞在这里。接着这个处理器如果之后收到其他处理器的ack消息之后，才会把写缓冲器中的写结果拿出来，通过对cache entry设置为E加独占锁，同时修改数据，然后设置为M其实写缓冲器的作用，就是处理器写数据的时候直接写入缓冲器，不需要同步阻塞等待其他处理器的invalidate ack返回，这就大大提升了硬件层面的执行效率了包括查询数据的时候，会先从写缓冲器里查，因为有可能刚修改的值在这里，然后才会从高速缓存里查，这个就是存储转发。
无效队列：引入无效队列，就是说其他处理器在接收到了invalidate消息之后，不需要立马过期本地缓存，直接把消息放入无效队列，就返回ack给那个写处理器了，这就进一步加速了性能，然后之后从无效队列里取出来消息，过期本地缓存即可。

MESI导致有序性和可见性问题

可见性：写缓冲器和无效队列导致的，写数据不一定立马写入自己的高速缓存（或者主内存），是因为可能写入了写缓冲器；读数据不一定立马从别人的高速缓存（或者主内存）刷新最新的值过来，invalidate消息在无效队列里面；

StoreLoad重排序

int a = 0;

int c = 1;
//StoreLoad重排序
a = 1;
int b = c;

第一个是Store，第二个是Load。但是可能处理器对store操作先写入了写缓冲器，此时这个写操作相当于没执行，然后就执行了第二行代码，第二行代码的b是局部变量，那这个操作等于是读取a的值，是load操作，这就导致好像第二行代码的load先执行了，第一行代码的store后执行，第一个store操作写到写缓冲器里去了，导致其他的线程是读不到的，看不到的，好像是第一个写操作没执行一样；第二个load操作成功的执行了。

StoreStore重排序

resource = loadResource();
loaded = true;

两个写操作，但是可能第一个写操作写入了写缓冲器，然后第二个写操作是直接修改的高速缓存，这个时候就导致了两个写操作顺序颠倒了

Java多线程--34丨MESI硬件级原理