匯流排鎖定和快取一致性的問題

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我們知道，cpu和物理記憶體之間的通訊速度遠慢於cpu的處理速度，所以cpu有自己的內部快取，根據一些規則將記憶體中的資料讀取到內部快取中來，以加快頻繁讀取的速度。我們假設在一台pc上只有乙個cpu和乙份內部快取，那麼所有程序和執行緒看到的數都是快取裡的數，不會存在問題;但現在伺服器通常是多 cpu，更普遍的是，每塊cpu裡有多個核心，而每個核心都維護了自己的快取，那麼這時候多執行緒併發就會存在快取不一致性，這會導致嚴重問題。

以 i++為例，i的初始值是0.那麼在開始每塊快取都儲存了i的值0，當第一塊核心做i++的時候，其快取中的值變成了1，即使馬上回寫到主記憶體，那麼在回寫之後第二塊核心快取中的i值依然是0，其執行i++，回寫到記憶體就會覆蓋第一塊核心的操作，使得最終的結果是1，而不是預期中的2.

那麼怎麼解決整個問題呢?作業系統提供了匯流排鎖定的機制。前端匯流排(也叫cpu匯流排)是所有cpu與晶元組連線的主幹道，負責cpu與外界所有部件的通訊，包括快取記憶體、記憶體、北橋，其控制匯流排向各個部件傳送控制訊號、通過位址匯流排傳送位址訊號指定其要訪問的部件、通過資料匯流排雙向傳輸。在cpu1要做 i++操作的時候，其在匯流排上發出乙個lock#訊號，其他處理器就不能操作快取了該共享變數記憶體位址的快取，也就是阻塞了其他cpu，使該處理器可以獨享此共享記憶體。

但我們只需要對此共享變數的操作是原子就可以了，而匯流排鎖定把cpu和記憶體的通訊給鎖住了，使得在鎖定期間，其他處理器不能操作其他記憶體位址的資料，從而開銷較大，所以後來的cpu都提供了快取一致性機制，intel的奔騰486之後就提供了這種優化。

快取一致性機制整體來說，是當某塊cpu對快取中的資料進行操作了之後，就通知其他cpu放棄儲存在它們內部的快取，或者從主記憶體中重新讀取，如下圖：

這裡以在intel系列中廣泛使用的mesi協議詳細闡述下其原理。

mesi 協議是以快取行(快取的基本資料單位，在intel的cpu上一般是64位元組)的幾個狀態來命名的(全名是modified、exclusive、 share or invalid)。該協議要求在每個快取行上維護兩個狀態位，使得每個資料單位可能處於m、e、s和i這四種狀態之一，各種狀態含義如下：

m：被修改的。處於這一狀態的資料，只在本cpu中有快取資料，而其他cpu中沒有。同時其狀態相對於記憶體中的值來說，是已經被修改的，且沒有更新到記憶體中。

e：獨佔的。處於這一狀態的資料，只有在本cpu中有快取，且其資料沒有修改，即與記憶體中一致。

s：共享的。處於這一狀態的資料在多個cpu中都有快取，且與記憶體一致。

i：無效的。本cpu中的這份快取已經無效。

這裡首先介紹該協議約定的快取上對應的監聽：

乙個處於m狀態的快取行，必須時刻監聽所有試圖讀取該快取行對應的主存位址的操作，如果監聽到，則必須在此操作執行前把其快取行中的資料寫回主存。

乙個處於s狀態的快取行，必須時刻監聽使該快取行無效或者獨享該快取行的請求，如果監聽到，則必須把其快取行狀態設定為i。

乙個處於e狀態的快取行，必須時刻監聽其他試圖讀取該快取行對應的主存位址的操作，如果監聽到，則必須把其快取行狀態設定為s。

當cpu需要讀取資料時，如果其快取行的狀態是i的，則需要從記憶體中讀取，並把自己狀態變成s，如果不是i，則可以直接讀取快取中的值，但在此之前，必須要等待其他cpu的監聽結果，如其他cpu也有該資料的快取且狀態是m，則需要等待其把快取更新到記憶體之後，再讀取。

當cpu需要寫資料時，只有在其快取行是m或者e的時候才能執行，否則需要發出特殊的rfo指令(read or ownership，這是一種匯流排事務)，通知其他cpu置快取無效(i)，這種情況下會效能開銷是相對較大的。在寫入完成後，修改其快取狀態為m。

所以如果乙個變數在某段時間只被乙個執行緒頻繁地修改，則使用其內部快取就完全可以辦到，不涉及到匯流排事務，如果快取一會被這個cpu獨佔、一會被那個cpu 獨佔，這時才會不斷產生rfo指令影響到併發效能。這裡說的快取頻繁被獨佔並不是指執行緒越多越容易觸發，而是這裡的cpu協調機制，這有點類似於有時多執行緒並不一定提高效率，原因是執行緒掛起、排程的開銷比執行任務的開銷還要大，這裡的多cpu也是一樣，如果在cpu間排程不合理，也會形成rfo指令的開銷比任務開銷還要大。當然，這不是程式設計者需要考慮的事，作業系統會有相應的記憶體位址的相關判斷，這不在本文的討論範圍之內。

並非所有情況都會使用快取一致性的，如被操作的資料不能被快取在cpu內部或運算元據跨越多個快取行(狀態無法標識)，則處理器會呼叫匯流排鎖定;另外當cpu不支援快取鎖定時，自然也只能用匯流排鎖定了，比如說奔騰486以及更老的cpu。

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