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【Java锁体系】八、MESI缓存一致性协议讲解

MESI是一种广泛使用的写回策略的缓存一致性协议。

8.1 MESI协议中的状态

M：Modified被修改

E：Exclusive独享的

S：Shared共享的

I：Invalid无效的

8.2 一个例子来分析MESI的工作原理

利用对变量count自增的程序，来理解MESI的工作过程，明白多CPU下是如何进行数据写回同步，保证数据的可见性，

• 1.假设CPU1率先抢到时间片，当变量count加载至CPU缓存中时，会将count的使用标志为（E独占：首次加载会将变量置为独占，也就说明没有其他CPU进行加载）
• 2.CPU2也获得时间片，把变量count加载缓存中，此时count的使用标志为（E独占），并发送消息至总线，告知其他CPU读取了变量的值，各CPU通过时刻监听（总线嗅探机制）获得到此变量已被多个CPU所加载，那么此时CPU2就会将自身count的使用标志置为（S共享），CPU1也会将变量的使用标志也会置为（S）
• 3.CPU1从缓存中加载count至寄存器中进行自增操作，执行完毕之后，count = 0 -> 1，此时由于count的值发生了变化，因此CPU1中变量count使用标志应为（M修改），此时CPU1会发送消息至总线，告知其他线程已经修改了变量count 的值，其他CPU嗅探到值的修改，就会将自身变量count的使用标志置为（I无效）
• 4.CPU1会将M状态的变量立刻写回至主内存中，写回完毕之后，CPU1会将使用状态置为（E独享），发送消息至总线，告知其他CPU已经写回完毕，其他CPU会再此从主内存中读取变量count的值，读取完毕之后，也会发送消息至总线，其他CPU嗅探到之后将自身变量count置为（S共享），自身变量的使用状态也会置为（S共享）

那么如果多个CPU同时都将变量置为M修改状态，那怎么办？

首先多个CPU都想将变量置为M修改状态，那么系统会有裁决机制，保证只有一个CPU能够操作成功，因此不会存在多个M状态的数据

MESI操作的基本单位：缓存行（CPU缓存中的最小存储单元）

缓存行的最小存储单元大小：32bit，64bit，128bit（因系统而定）

机械硬盘的最小存储单元：簇

MESI缓存一致性协议失效的原因

缓存一致性协议失效的后果：当MESI失效之后，那么系统会自动将启用总线加锁机制，那么执行效率则会大打折扣。

失效的情况：

1.当缓存行存储的数据超过最小存储单元大小时（数据长度存储跨越多个缓存行的情况），就会导致MESI操作缓存行无效，导致MESI缓存一致性协议失效；

2.系统不支持缓存一致性协议。

缓存行的概念：多个数据可以存储在一个缓存行，一个数据可以存储在多个缓存行（此种情况会导致MESI失效）

总线加锁机制

对主内存数据进行加锁和解锁操作，当加锁之后，此数据不允许其他线程进行读写，只能等加锁线程操作完毕进行解锁之后才能进行操作。

8.3 Java中volatile关键字保证可见性原理

MESI缓存一致性协议底层是通过#Lock的指令进行触发的，

而volatile关键词修饰之后的变量，编译为指令时会加上#Lock修饰，用来触发缓存一致性协议，而且#Lock指令修饰之后，置为M（修改状态）的变量，会强制立刻写入主内存中，并且发送消息至总线，其它加载此变量的线程，就会将工作内存中变量的使用状态修改为I(无效状态)，此时线程就被迫重新从主内存中读取该变量的值，这就是volatile关键词保证可见性的原因。

volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制，它具备两种特性：

• 保证共享变量对所有线程的可见性；
• 禁止指令重排序，保证有序性；
• 无法保证原子性（像count++就不是原子操作，包含了读 自加操作）

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