本文用于理解各種自旋鎖對(duì)于緩存一致性風(fēng)暴進(jìn)行的優(yōu)化
案例一： TAS鎖引起的緩存一致性風(fēng)暴
TAS鎖.png
假設(shè)機(jī)器是64位的晤碘，CPU一次讀取64bit馍刮，即8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩存L1的一個(gè)緩存塊开睡；有2個(gè)CPU，每個(gè)CPU都有一個(gè)L1高速緩存；4個(gè)線程裹虫，一次為T1,T2,T3,T4飞盆；CPU1執(zhí)行線程T1娄琉，CPU2執(zhí)行線程T2，CPU1執(zhí)行線程T3吓歇，CPU2執(zhí)行線程T4孽水；4個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖的順序是T1->T2->T3->T4，則
- 當(dāng)線程1在CPU1上執(zhí)行
while(state.getAndSet(true))時(shí)城看，即state記錄的共享地址讀取true值到L1的一個(gè)緩存塊女气，記錄該緩存塊d11的狀態(tài)為exclusive； - 當(dāng)線程2在CPU2執(zhí)行
while(state.getAndSet(true))時(shí)析命，CPU1檢測(cè)到地址沖突主卫，如果CPU1的L1里記錄state的緩存塊的狀態(tài)已經(jīng)是shared逃默，則不做操作；否則將CPU1的L1里記錄state的緩存塊的狀態(tài)修改為shared簇搅。CPU2從state記錄的共享地址讀取true值到L1的一個(gè)緩存塊完域，記錄該緩存塊的狀態(tài)為shared； - 當(dāng)線程3在CPU1執(zhí)行
while(state.getAndSet(true))時(shí)瘩将，由于CPU1的L1里記錄state的緩存塊的狀態(tài)已經(jīng)是shared吟税，所以不做操作。線程4的情況類(lèi)似姿现，就省略肠仪； - 當(dāng)線程1在CPU1上執(zhí)行
state.set(false)時(shí)，修改L1里記錄該state值的緩存塊的狀態(tài)為modified备典，并發(fā)起“修改各自高速緩存中記錄共享數(shù)據(jù)的緩存塊狀態(tài)為invalid”的廣播請(qǐng)求异旧。CPU2收到該廣播請(qǐng)求后，就將其上的L1里記錄共享數(shù)據(jù)state的緩存塊狀態(tài)為invalid提佣； - 當(dāng)線程2在CPU2執(zhí)行
while(state.getAndSet(true))時(shí)吮蛹，發(fā)現(xiàn)其L1中記錄該state值的緩存塊的狀態(tài)為invalid，然后發(fā)起“從主內(nèi)中讀取共享數(shù)據(jù)”的廣播請(qǐng)求拌屏。CPU1收到該廣播請(qǐng)求后潮针，將其上的L1里記錄state值的緩存塊的數(shù)據(jù)false刷新到主內(nèi)存，并修改該緩存塊的狀態(tài)為shared倚喂。CPU2則從主內(nèi)存中讀取更新后的state值false到L1的一個(gè)緩存塊每篷，記錄該緩存塊的狀態(tài)為shared； - 線程2釋放鎖端圈，線程3獲取鎖焦读；線程3釋放鎖，線程4獲得鎖枫笛；線程4釋放鎖都是在重復(fù)步驟4和步驟5
案例二：ArrayLock（有界隊(duì)列鎖）帶來(lái)的緩存一致性風(fēng)暴優(yōu)化
Array-Lock-1.png
情形一：假定boolean數(shù)據(jù)占據(jù)1個(gè)字節(jié)吨灭，一個(gè)CPU執(zhí)行一個(gè)線程，此時(shí)的緩存一致風(fēng)暴量跟TAS鎖一樣刑巧，就不做討論了
情形二：假定boolean數(shù)據(jù)占據(jù)1個(gè)字節(jié)喧兄，2個(gè)CPU，4個(gè)線程：CPU1執(zhí)行線程T1啊楚、T3吠冤，CPU2執(zhí)行線程T2、T4恭理，
- 當(dāng)線程T1在CPU1上執(zhí)行
while(!flags[0]){}時(shí)拯辙，會(huì)一次讀取8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到L1的一個(gè)緩存塊中，并標(biāo)記該緩存塊的狀態(tài)為exclusive； - 當(dāng)線程T2在CPU2上執(zhí)行
while(!flags[1]){}時(shí)涯保，CPU1檢測(cè)到地址沖突诉濒，如果L1中存儲(chǔ)flags[1]值的緩存塊的狀態(tài)已經(jīng)是shared，則不做操作夕春；否則將L1存儲(chǔ)flags[1]值的緩存塊的狀態(tài)修改為shared未荒；CPU2會(huì)一次讀取8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到高速緩存L2的一個(gè)緩存塊中，并標(biāo)記該緩存塊的狀態(tài)為shared及志； - 當(dāng)線程T3在CPU1上執(zhí)行
while(!flags[2]){}時(shí)片排，由于在步驟1中已經(jīng)加載了flags[2]的數(shù)據(jù)，所以讀命中速侈，此時(shí)L1中記錄flags[2]的狀態(tài)為shared率寡； - 當(dāng)線程T4在CPU2上執(zhí)行
while(!flags[3]){}時(shí)，由于在步驟1中已經(jīng)加載了flags[3]的數(shù)據(jù)倚搬，所以讀命中冶共，此時(shí)L2中記錄flags[3]的狀態(tài)為shared； - 當(dāng)線程1在CPU1執(zhí)行
flags[0]=false;flags[1]=true時(shí)每界，則將flags[0]和flags[1]所在的緩存塊的狀態(tài)改為modified,并發(fā)起“修改各自記錄共享數(shù)據(jù)的緩存塊的狀態(tài)為invalid”的廣播請(qǐng)求比默。CPU2收到該廣播請(qǐng)求后，就將各自高速緩存中記錄共享數(shù)據(jù)的緩存塊的狀態(tài)為invalid盆犁； - 線程2在CPU2執(zhí)行
while(!flags[1]){}時(shí)，發(fā)現(xiàn)高速緩存L2中記錄flags[1]的緩存塊的狀態(tài)為invalid篡九，則就發(fā)起“從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)”的廣播請(qǐng)求谐岁，此時(shí)CPU1就把L1記錄的flag[1]所在的緩存塊的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，并記錄該緩存塊的狀態(tài)改為shared榛臼；CPU2從主內(nèi)存中重新讀取flags[1]的數(shù)據(jù)到L2的一個(gè)緩存行伊佃，并記錄該緩存行的狀態(tài)為shared - 當(dāng)線程2在CPU2上執(zhí)行
flags[1]=false;flags[2]=true時(shí)，則將flags[1]和flags[2]所在的緩存塊的狀態(tài)改為modified,并發(fā)起“修改各自記錄共享數(shù)據(jù)的緩存塊的狀態(tài)為invalid”的廣播請(qǐng)求沛善。CPU1收到該廣播請(qǐng)求后航揉，就將各自高速緩存中記錄共享數(shù)據(jù)的緩存塊的狀態(tài)為invalid； - 線程3在CPU1執(zhí)行
while(!flags[2]){}時(shí)金刁，發(fā)現(xiàn)高速緩存L2中記錄flags[2]的緩存塊的狀態(tài)為invalid帅涂，則就發(fā)起“從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)”的廣播請(qǐng)求，此時(shí)CPU2就把L2記錄的flag[2]所在的緩存塊的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存尤蛮，并記錄該緩存塊的狀態(tài)改為shared媳友；CPU1從主內(nèi)存中重新讀取flags[2]的數(shù)據(jù)到L1的一個(gè)緩存行，并記錄該緩存行的狀態(tài)為shared
參考資料
- 《The Art of Multi-Processor Programming》
- 聊聊高并發(fā)（三十四）Java內(nèi)存模型那些事（二）理解CPU高速緩存的工作原理
http://blog.csdn.net/iter_zc/article/details/41979189 - 聊聊高并發(fā)（五）理解緩存一致性協(xié)議以及對(duì)并發(fā)編程的影響
http://blog.csdn.net/iter_zc/article/details/40342695
