i++問(wèn)題

“阿Q趕快回去吧，隔壁二號(hào)車間的虎子說(shuō)我們改了他們的數(shù)據(jù)，上門來(lái)鬧事了”

由于老K的突然出現(xiàn)，我不得不提前結(jié)束與小黑的交流，趕回了CPU一號(hào)車間。

見到我回來(lái)，虎子立刻朝我嚷嚷：“你們是怎么回事?才幾納秒的時(shí)間，就把數(shù)據(jù)給我改了，你說(shuō)這事怎么辦吧!”

我聽著迷迷糊糊的，連連說(shuō)到：“虎子你先別急，我剛回來(lái)，到底出什么事兒了，先讓我了解清楚好不好?”

接下來(lái)，老K把事情的經(jīng)過(guò)告訴了我。原來(lái)，我們兩個(gè)CPU車間各自負(fù)責(zé)的線程都在執(zhí)行一個(gè)i++的操作，我們都把i的值放到了自己的緩存中，完了之后都沒(méi)有通知對(duì)方，加了兩次但結(jié)果卻只有一次，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

原子操作

了解清楚事情的原委之后，我向虎子說(shuō)道：“大家都執(zhí)行一樣的代碼，這事兒也不能怪我們啊”

虎子一聽急了，“怎么不怪你們了，我們比你們先一步找內(nèi)存拿走了i，那你們得等我們加完之后再用啊，不信你可以打電話問(wèn)內(nèi)存那家伙，看看是不是我們二號(hào)車間先來(lái)的”

“好好好，你先冷靜一下，你看我們又不知道你們先去拿了，這不情有可原嗎，再說(shuō)現(xiàn)在事情已經(jīng)出了，我們應(yīng)該一起坐下來(lái)想個(gè)辦法避免以后再次出現(xiàn)這種問(wèn)題，你說(shuō)是不是?”

虎子嘆了口氣問(wèn)道：“那你說(shuō)說(shuō)你有什么辦法?”

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我繼續(xù)說(shuō)道：“你看啊，像咱們?cè)趫?zhí)行i++這種操作的時(shí)候就不應(yīng)該被干擾”

“不被干擾?”

“對(duì)，比如虎子你們二號(hào)車間在訪問(wèn)i的時(shí)候，我們一號(hào)車間就不能訪問(wèn)，需要等著，等你們?cè)L問(wèn)完成我們?cè)賮?lái)，非常簡(jiǎn)單的辦法卻很有用”

虎子聽完一愣，“這不就是加鎖嗎?你是想怪程序員做i++前沒(méi)有加鎖?”

“的確是加鎖，不過(guò)這種簡(jiǎn)單操作還要程序員來(lái)加鎖那也太麻煩了，咱們CPU內(nèi)部處理好就行了”

“內(nèi)部處理，你打算怎么實(shí)現(xiàn)?”，虎子問(wèn)到。

“這，，讓我想想···”，虎子問(wèn)到了具體實(shí)現(xiàn)，我倒還沒(méi)想到這一步。

這時(shí)，一旁的老K站了出來(lái)：“我倒是有個(gè)辦法，可以找總線主任啊，他是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)車間使用系統(tǒng)總線訪問(wèn)內(nèi)存的總指揮，讓他在中間協(xié)調(diào)一下應(yīng)該不難”

老K一語(yǔ)點(diǎn)醒夢(mèng)中人，接著我們就去找了總線主任，后來(lái)我們商量出了一套解決方案：我們定義了一個(gè)叫原子操作的東西，表示這是一個(gè)不可切分的動(dòng)作，誰(shuí)要執(zhí)行原子操作，總線主任就在系統(tǒng)總線上加上一個(gè)LOCK#信號(hào)，其他車間的想去訪問(wèn)內(nèi)存就得等著，直到原子操作指令執(zhí)行完畢。

我們把這套方案上報(bào)了領(lǐng)導(dǎo)，很快就批下來(lái)了，后面我們8個(gè)車間都按照這套方案來(lái)工作，以后程序員們把i++這樣的動(dòng)作換成原子操作后，問(wèn)題就能迎刃而解。

不過(guò)施行了一段時(shí)間之后，各個(gè)車間卻開始大倒苦水：就因?yàn)槟硞€(gè)車間要執(zhí)行一個(gè)原子操作，就讓總線主任把系統(tǒng)總線鎖住，其他車間的人都沒(méi)法訪問(wèn)內(nèi)存，都干不了活了，嚴(yán)重影響工作效率。

抱怨歸抱怨，在沒(méi)有更好的替代方案出現(xiàn)之前，日子還得過(guò)下去。

緩存引發(fā)的問(wèn)題

不過(guò)，沒(méi)過(guò)多久，數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題又一次出現(xiàn)了。

這一次，倒不是加法的問(wèn)題，我們兩車間還是因?yàn)楦髯跃彺娴脑颍群笮薷牧俗兞康闹?，?duì)方?jīng)]有即時(shí)知道，誤用了錯(cuò)誤的值，以致釀成大錯(cuò)。

“阿Q，上次那辦法好是好，可解決不了這一次的問(wèn)題啊”，虎子再次找上門來(lái)。

“你來(lái)的正好，我正想去找你說(shuō)這事呢”

“哦，是嗎，難不成你想到破解之道了?”

“只是一些初步的想法，問(wèn)題的核心在于現(xiàn)在咱們各個(gè)車間各自為政，都有自己的私有緩存，各自修改數(shù)據(jù)后向內(nèi)存更新時(shí)也不互相打招呼，缺少一個(gè)聯(lián)絡(luò)機(jī)制”

虎子點(diǎn)了點(diǎn)頭，“確實(shí)，所以咱們需要建立一個(gè)聯(lián)絡(luò)機(jī)制，來(lái)對(duì)各個(gè)車間的緩存內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一管理是嗎?”

“對(duì)!這事兒咱倆說(shuō)了可不算，我建議召集8個(gè)核心車間的代表，統(tǒng)一開一個(gè)會(huì)議，詳細(xì)討論下這個(gè)問(wèn)題。哦，對(duì)了，把總線主任也叫上，他經(jīng)驗(yàn)豐富說(shuō)不定能提供一些思路”

緩存一致性協(xié)議MESI

很快，咱們CPU的8個(gè)核心車間就為此問(wèn)題召開了會(huì)議，并且取得了非常重要的成果。

我們牽了一條新的專線，把8個(gè)核心車間連接起來(lái)，用于各個(gè)車間之間進(jìn)行信息溝通，不同于CPU外部的總線系統(tǒng)，大家把這個(gè)叫片內(nèi)總線。

新的線路鋪設(shè)好了，以后大家就可以通過(guò)這條線路即時(shí)溝通，為了解決之前出現(xiàn)的問(wèn)題，大家還制定了一套規(guī)則，叫做緩存一致性協(xié)議。

規(guī)則里面規(guī)定了所有車間的緩存單元——緩存行有四種狀態(tài)：

• 已修改Modified (M)：緩存行已經(jīng)被修改了，與內(nèi)存的值不一樣。如果別的CPU內(nèi)核要讀內(nèi)存這塊數(shù)據(jù)，要趕在這之前把該緩存行回寫到主存，把狀態(tài)變?yōu)楣蚕?S).
• 獨(dú)占Exclusive (E)：緩存行只在當(dāng)前CPU核心緩存中，而且和內(nèi)存中數(shù)據(jù)一樣。當(dāng)別的CPU核心讀取它時(shí)，狀態(tài)變?yōu)楣蚕?如果當(dāng)前CPU核心修改了它，就要變?yōu)橐研薷臓顟B(tài)。
• 共享Shared (S)：緩存行存在于多個(gè)CPU核心的緩存中，而且和內(nèi)存中的內(nèi)容一致。
• 無(wú)效Invalid (I)：緩存行是無(wú)效的

四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是這樣的：

按照這套規(guī)則，大家不能再像以前那樣隨意了，各車間對(duì)自家緩存進(jìn)行讀寫時(shí)，都要相互通一下氣，避免使用過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)。

除此之外，還規(guī)定如果一塊內(nèi)存區(qū)域被多個(gè)車間都緩存，就不再允許多個(gè)車間同時(shí)去修改緩存了。

會(huì)議還有另外一個(gè)收獲，以前被各車間詬病的每次原子操作都要鎖定總線，導(dǎo)致大家需要訪問(wèn)內(nèi)存的都只能干等著的問(wèn)題也得到了解決。以后總線主任不再需要鎖定總線了，通過(guò)這次的緩存一致性協(xié)議就可以辦到。

自此以后，數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題總算是根治了，咱們8個(gè)車間又可以愉快的工作了。