資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：緩存行也必須監(jiān)聽其它緩存使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，并將該緩存行變成無效。無注意對于和狀態(tài)而言總是精確的，他們在和該緩存行的真正狀態(tài)是一致的，而狀態(tài)可能是非一致的。多線程并發(fā)的優(yōu)勢和缺點
CPU緩存一致性協(xié)議MESI
CPU在摩爾定律的指導(dǎo)下以每18個月翻一番的速度在發(fā)展，然而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠遠不及CPU。這就造成了高性能能的內(nèi)存和硬盤價格及其昂貴。然而CPU的高度運算需要高速的數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，CPU廠商在CPU中內(nèi)置了少量的高速緩存以解決IO速度和CPU運算速度之間的不匹配問題。
在CPU訪問存儲設(shè)備時，無論是存取數(shù)據(jù)抑或存取指令，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)域中，這就被稱為局部性原理。
時間局部性（Temporal Locality）：如果一個信息項正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。
比如循環(huán)、遞歸、方法的反復(fù)調(diào)用等。
空間局部性（Spatial Locality）：如果一個存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會被引用。
比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個對象、數(shù)組等
程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存
指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存
CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存
高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存
MESI協(xié)議緩存狀態(tài)
緩存行（Cache line）:緩存存儲數(shù)據(jù)的單元。
| 狀態(tài) | 描述 | 監(jiān)聽任務(wù) |
|---|---|---|
| M 修改 (Modified) | 該Cache line有效，數(shù)據(jù)被修改了，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中。 | 緩存行必須時刻監(jiān)聽所有試圖讀該緩存行相對就主存的操作，這種操作必須在緩存將該緩存行寫回主存并將狀態(tài)變成S（共享）狀態(tài)之前被延遲執(zhí)行。 |
| E 獨享、互斥 (Exclusive) | 該Cache line有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中。 | 緩存行也必須監(jiān)聽其它緩存讀主存中該緩存行的操作，一旦有這種操作，該緩存行需要變成S（共享）狀態(tài)。 |
| S 共享 (Shared) | 該Cache line有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)存在于很多Cache中。 | 緩存行也必須監(jiān)聽其它緩存使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，并將該緩存行變成無效（Invalid）。 |
| I 無效 (Invalid) | 該Cache line無效。 | 無 |
注意：
對于M和E狀態(tài)而言總是精確的，他們在和該緩存行的真正狀態(tài)是一致的，而S狀態(tài)可能是非一致的。如果一個緩存將處于S狀態(tài)的緩存行作廢了，而另一個緩存實際上可能已經(jīng)獨享了該緩存行，但是該緩存卻不會將該緩存行升遷為E狀態(tài)，這是因為其它緩存不會廣播他們作廢掉該緩存行的通知，同樣由于緩存并沒有保存該緩存行的copy的數(shù)量，因此（即使有這種通知）也沒有辦法確定自己是否已經(jīng)獨享了該緩存行。
從上面的意義看來E狀態(tài)是一種投機性的優(yōu)化：如果一個CPU想修改一個處于S狀態(tài)的緩存行，總線事務(wù)需要將所有該緩存行的copy變成invalid狀態(tài)，而修改E狀態(tài)的緩存不需要使用總線事務(wù)。
處理器為提高運算速度兒做出違背代碼原有順序的優(yōu)化。
在單核處理器時代處理器的亂序執(zhí)行優(yōu)化不會影響執(zhí)行結(jié)果。在多核處理中，某個核心執(zhí)行寫入操作時，將某個標志當做寫入完成，進行重排優(yōu)化，可能會先執(zhí)行標志指令導(dǎo)致其他核心以為改核心已經(jīng)執(zhí)行完成寫入操作。從而拿到錯誤的值。
堆heap
堆是運行時確定的內(nèi)存，由java GC來維護大小，優(yōu)點是可以動態(tài)的確定大小，缺點是運行時動態(tài)確定內(nèi)存所以速度相對棧小一點。對象存放在堆上。靜態(tài)變量跟隨類一起存放在堆上。
棧stack
棧內(nèi)存的速度相對堆內(nèi)存更快，僅次于寄存器，缺點是大小必須是編譯期確定的。缺乏一定的靈活性，存放一些基本的數(shù)據(jù)變量（int double。。。）java內(nèi)存要求本地變量（Local Variable），調(diào)用棧必須存放在線程棧（Thead Stack）中。
本地變量可能存放的是對象的引用。當兩個線程同時引用一個對象時，那么這兩個線程的本地引用存放的是這個對象的私有拷貝。
硬件內(nèi)存模型如圖
硬件內(nèi)存模型和java內(nèi)存模型的對應(yīng)模型如圖：
java內(nèi)存抽象模型結(jié)構(gòu)
看圖，本地內(nèi)存：本地內(nèi)存是java抽象的概念，涵蓋了緩存，寫緩存區(qū)，寄存器，其他硬件和編譯器優(yōu)化。本地內(nèi)存儲存了共享變量的副本，從硬件的角度上講主內(nèi)存就是硬件內(nèi)存，但是為了獲取更好的速度，java可能會將數(shù)據(jù)存儲在寄存器或者高速緩存區(qū)。如果線程要通信必須要經(jīng)過主內(nèi)存，流程是先在主內(nèi)存中獲取共享變量，存儲在本地內(nèi)存中經(jīng)由進程計算，然后刷新至主內(nèi)存，再經(jīng)由其他線程訪問。
lock和Unlack：作用在主內(nèi)存上只有在Unlock的情況下內(nèi)存才可以被其他線程鎖定。
Read：作用在主內(nèi)存上，把主內(nèi)存中的變量輸送在工作內(nèi)存中。
Load：作用工作內(nèi)存中，把主內(nèi)存中的值放入到工作內(nèi)存副本中。
use：作用于工作內(nèi)存，把數(shù)據(jù)給執(zhí)行引擎。每當執(zhí)行器需要使用到變量時或者執(zhí)行字節(jié)碼指令時會執(zhí)行這個操作。
assign：賦值，在執(zhí)行賦值操作時執(zhí)行，將執(zhí)行引擎中的值賦值給工作內(nèi)存。
store：存儲，把工作內(nèi)存中的值傳遞到主內(nèi)存中。
write：寫入，將工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存中。
下面介紹一下規(guī)則，規(guī)則是用來限制每一步是如何操作的。
不允許read和load、store和write單一出現(xiàn)，因為他們是一個連貫的操作。而且必須是按順序執(zhí)行的。load必須是read之后，write必須是store之后，但是不一定是連續(xù)操作，在他們之間可以插入其他的指令。
不允許線程丟棄assign操作，也就是說執(zhí)行完了之后必須放入工作內(nèi)存中。
不允許線程不經(jīng)過Assign操作直接把數(shù)據(jù)給主內(nèi)存。
一個新的變量只能在主內(nèi)存中誕生。
一個變量只允許一個線程對其lack操作，但是可以被一個線程lack多次，lack多次之后只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlack才能被解鎖。
如果一個變量執(zhí)行了lack操作之后將會清楚工作內(nèi)存中該變量的值。執(zhí)行引擎在使用變量時需要重新執(zhí)行read-load-use等操作。
如果沒有執(zhí)行一個lack操作的變量不能執(zhí)行unlack操作。或者被其他線程執(zhí)行了lack操作的線程也不能被改線程執(zhí)行unlack。
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