總線鎖定與一致性緩存

總線鎖定和緩存一致性

這是兩個操作系統層面的概念。隨著多核時代的到來，并發操作已經成了很正常的現象，操作系統必須要有一些機制和原語，以保證某些基本操作的原子性，比如處理器需要保證讀一個字節或寫一個字節是原子的，那么它是如何實現的呢?有兩種機制：總線鎖定和緩存一致性。

我們知道，CPU和物理內存之間的通信速度遠慢于CPU的處理速度，所以CPU有自己的內部緩存，根據一些規則將內存中的數據讀取到內部緩存中來，以加快頻繁讀取的速度。我們假設在一臺PC上只有一個CPU和一份內部緩存，那么所有進程和線程看到的數都是緩存里的數，不會存在問題;但現在服務器通常是多 CPU，更普遍的是，每塊CPU里有多個內核，而每個內核都維護了自己的緩存，那么這時候多線程并發就會存在緩存不一致性，這會導致嚴重問題。

以 i++為例，i的初始值是0.那么在開始每塊緩存都存儲了i的值0，當第一塊內核做i++的時候，其緩存中的值變成了1，即使馬上回寫到主內存，那么在回寫之后第二塊內核緩存中的i值依然是0，其執行i++，回寫到內存就會覆蓋第一塊內核的操作，使得最終的結果是1，而不是預期中的2.

那么怎么解決整個問題呢?操作系統提供了總線鎖定的機制。前端總線(也叫CPU總線)是所有CPU與芯片組連接的主干道，負責CPU與外界所有部件的通信，包括高速緩存、內存、北橋，其控制總線向各個部件發送控制信號、通過地址總線發送地址信號指定其要訪問的部件、通過數據總線雙向傳輸。在CPU1要做 i++操作的時候，其在總線上發出一個LOCK#信號，其他處理器就不能操作緩存了該共享變量內存地址的緩存，也就是阻塞了其他CPU，使該處理器可以獨享此共享內存。

但我們只需要對此共享變量的操作是原子就可以了，而總線鎖定把CPU和內存的通信給鎖住了，使得在鎖定期間，其他處理器不能操作其他內存地址的數據，從而開銷較大，所以后來的CPU都提供了緩存一致性機制，Intel的奔騰486之后就提供了這種優化。

緩存一致性機制整體來說，是當某塊CPU對緩存中的數據進行操作了之后，就通知其他CPU放棄儲存在它們內部的緩存，或者從主內存中重新讀取，如下圖：

這里以在Intel系列中廣泛使用的MESI協議詳細闡述下其原理。

MESI 協議是以緩存行(緩存的基本數據單位，在Intel的CPU上一般是64字節)的幾個狀態來命名的(全名是Modified、Exclusive、 Share or Invalid)。該協議要求在每個緩存行上維護兩個狀態位，使得每個數據單位可能處于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。處于這一狀態的數據，只在本CPU中有緩存數據，而其他CPU中沒有。同時其狀態相對于內存中的值來說，是已經被修改的，且沒有更新到內存中。

E：獨占的。處于這一狀態的數據，只有在本CPU中有緩存，且其數據沒有修改，即與內存中一致。

S：共享的。處于這一狀態的數據在多個CPU中都有緩存，且與內存一致。

I：無效的。本CPU中的這份緩存已經無效。

這里首先介紹該協議約定的緩存上對應的監聽：

一個處于M狀態的緩存行，必須時刻監聽所有試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操作，如果監聽到，則必須在此操作執行前把其緩存行中的數據寫回CPU。

一個處于S狀態的緩存行，必須時刻監聽使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，如果監聽到，則必須把其緩存行狀態設置為I。

一個處于E狀態的緩存行，必須時刻監聽其他試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操作，如果監聽到，則必須把其緩存行狀態設置為S。

當CPU需要讀取數據時，如果其緩存行的狀態是I的，則需要從內存中讀取，并把自己狀態變成S，如果不是I，則可以直接讀取緩存中的值，但在此之前，必須要等待其他CPU的監聽結果，如其他CPU也有該數據的緩存且狀態是M，則需要等待其把緩存更新到內存之后，再讀取。

當CPU需要寫數據時，只有在其緩存行是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，這是一種總線事務)，通知其他CPU置緩存無效(I)，這種情況下會性能開銷是相對較大的。在寫入完成后，修改其緩存狀態為M。

所以如果一個變量在某段時間只被一個線程頻繁地修改，則使用其內部緩存就完全可以辦到，不涉及到總線事務，如果緩存一會被這個CPU獨占、一會被那個CPU 獨占，這時才會不斷產生RFO指令影響到并發性能。這里說的緩存頻繁被獨占并不是指線程越多越容易觸發，而是這里的CPU協調機制，這有點類似于有時多線程并不一定提高效率，原因是線程掛起、調度的開銷比執行任務的開銷還要大，這里的多CPU也是一樣，如果在CPU間調度不合理，也會形成RFO指令的開銷比任務開銷還要大。當然，這不是編程者需要考慮的事，操作系統會有相應的內存地址的相關判斷，這不在本文的討論范圍之內。

并非所有情況都會使用緩存一致性的，如被操作的數據不能被緩存在CPU內部或操作數據跨越多個緩存行(狀態無法標識)，則處理器會調用總線鎖定;另外當CPU不支持緩存鎖定時，自然也只能用總線鎖定了，比如說奔騰486以及更老的CPU。