CPU高速缓存(Cache Memory)
CPU为何要有高速缓存
CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展,然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题,CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题。
在CPU访问存储设备时,无论是存取数据抑或存取指令,都趋于聚集在一片连续的区域中,这就被称为局部性原理。
时间局部性(Temporal Locality):如果一个信息项正在被访问,那么在近期它很可能还会被再次访问。比如循环、递归、方法的反复调用等。
空间局部性(Spatial Locality):如果一个存储器的位置被引用,那么将来他附近的位置也会被引用。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。
带有高速缓存的CPU执行计算的流程
  1. 程序以及数据被加载到主内存
  2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存
  3. CPU执行指令,把结果写到高速缓存
  4. 高速缓存中的数据写回主内存
 
目前流行的多级缓存结构
由于CPU的运算速度超越了1级缓存的数据I\O能力,CPU厂商又引入了多级的缓存结构。
多级缓存结构
 
多核CPU多级缓存一致性协议MESI
多核CPU的情况下有多个一级缓存,如何保证缓存内部数据的一致,不让系统数据混乱。这里就引出了一个一致性的协议MESI。
MESI协议缓存状态
MESI 是指4中状态的首字母。每个Cache line有4个状态,可用2个bit表示,它们分别是:
缓存行(Cache line):缓存存储数据的单元。
 
注意:
对于M和E状态而言总是精确的,他们在和该缓存行的真正状态是一致的,而S状态可能是非一致的。如果一个缓存将处于S状态的缓存行作废了,而另一个缓存实际上可能已经独享了该缓存行,但是该缓存却不会将该缓存行升迁为E状态,这是因为其它缓存不会广播他们作废掉该缓存行的通知,同样由于缓存并没有保存该缓存行的copy的数量,因此(即使有这种通知)也没有办法确定自己是否已经独享了该缓存行。
从上面的意义看来E状态是一种投机性的优化:如果一个CPU想修改一个处于S状态的缓存行,总线事务需要将所有该缓存行的copy变成invalid状态,而修改E状态的缓存不需要使用总线事务。
MESI状态转换
 
理解该图的前置说明:
1.触发事件
 
2.cache分类:
前提:所有的cache共同缓存了主内存中的某一条数据。
本地cache:指当前cpu的cache。
触发cache:触发读写事件的cache。
其他cache:指既除了以上两种之外的cache。
注意:本地的事件触发 本地cache和触发cache为相同。
上图的切换解释:
 
下图示意了,当一个cache line的调整的状态的时候,另外一个cache line 需要调整的状态。
 
举个栗子来说:
假设cache 1 中有一个变量x = 0的cache line 处于S状态(共享)。
那么其他拥有x变量的cache 2、cache 3等x的cache line调整为S状态(共享)或者调整为 I 状态(无效)。
 
多核缓存协同操作
假设有三个CPU A、B、C,对应三个缓存分别是cache a、b、 c。在主内存中定义了x的引用值为0。
 
单核读取
那么执行流程是:
CPU A发出了一条指令,从主内存中读取x。
从主内存通过bus读取到缓存中(远端读取Remote read),这是该Cache line修改为E状态(独享).
 
双核读取
那么执行流程是:
CPU A发出了一条指令,从主内存中读取x。
CPU A从主内存通过bus读取到 cache a中并将该cache line 设置为E状态。
CPU B发出了一条指令,从主内存中读取x。
CPU B试图从主内存中读取x时,CPU A检测到了地址冲突。这时CPU A对相关数据做出响应。此时x 存储于cache a和cache b中,x在chche a和cache b中都被设置为S状态(共享)。
 
修改数据
那么执行流程是:
CPU A 计算完成后发指令需要修改x.
CPU A 将x设置为M状态(修改)并通知缓存了x的CPU B, CPU B将本地cache b中的x设置为I状态(无效)
CPU A 对x进行赋值。
 
同步数据
那么执行流程是:
CPU B 发出了要读取x的指令。
CPU B 通知CPU A,CPU A将修改后的数据同步到主内存时cache a 修改为E(独享)
CPU A同步CPU B的x,将cache a和同步后cache b中的x设置为S状态(共享)。
 
MESI优化和他们引入的问题
缓存的一致性消息传递是要时间的,这就使其切换时会产生延迟。当一个缓存被切换状态时其他缓存收到消息完成各自的切换并且发出回应消息这么一长串的时间中CPU都会等待所有缓存响应完成。可能出现的阻塞都会导致各种各样的性能问题和稳定性问题。
CPU切换状态阻塞解决-存储缓存(Store Bufferes)
比如你需要修改本地缓存中的一条信息,那么你必须将I(无效)状态通知到其他拥有该缓存数据的CPU缓存中,并且等待确认。等待确认的过程会阻塞处理器,这会降低处理器的性能。应为这个等待远远比一个指令的执行时间长的多。
Store Bufferes
为了避免这种CPU运算能力的浪费,Store Bufferes被引入使用。处理器把它想要写入到主存的值写到缓存,然后继续去处理其他事情。当所有失效确认(Invalidate Acknowledge)都接收到时,数据才会最终被提交。
这么做有两个风险
Store Bufferes的风险
第一、就是处理器会尝试从存储缓存(Store buffer)中读取值,但它还没有进行提交。这个的解决方案称为Store Forwarding,它使得加载的时候,如果存储缓存中存在,则进行返回。
第二、保存什么时候会完成,这个并没有任何保证。
 alue = 3;
void exeToCPUA(){
  value = 10;
  isFinsh = true;
}
void exeToCPUB(){
  if(isFinsh){
    /alue一定等于10?!
    assert value == 10;
  }
试想一下开始执行时,CPU A保存着finished在E(独享)状态,而value并没有保存在它的缓存中。(例如,Invalid)。在这种情况下,value会比finished更迟地抛弃存储缓存。完全有可能CPU B读取finished的值为true,而value的值不等于10。
即isFinsh的赋值在value赋值之前。
这种在可识别的行为中发生的变化称为重排序(reordings)。注意,这不意味着你的指令的位置被恶意(或者好意)地更改。
它只是意味着其他的CPU会读到跟程序中写入的顺序不一样的结果。
顺便提一下NIO的设计和Store Bufferes的设计是非常相像的。
硬件内存模型
执行失效也不是一个简单的操作,它需要处理器去处理。另外,存储缓存(Store Buffers)并不是无穷大的,所以处理器有时需要等待失效确认的返回。这两个操作都会使得性能大幅降低。为了应付这种情况,引入了失效队列。它们的约定如下:
  • 对于所有的收到的Invalidate请求,Invalidate Acknowlege消息必须立刻发送
  • Invalidate并不真正执行,而是被放在一个特殊的队列中,在方便的时候才会去执行。
  • 处理器不会发送任何消息给所处理的缓存条目,直到它处理Invalidate。
即便是这样处理器已然不知道什么时候优化是允许的,而什么时候并不允许。
干脆处理器将这个任务丢给了写代码的人。这就是内存屏障(Memory Barriers)。
 
写屏障 Store Memory Barrier(a.k.a. ST, SMB, smp_wmb)是一条告诉处理器在执行这之后的指令之前,应用所有已经在存储缓存(store buffer)中的保存的指令。
读屏障Load Memory Barrier (a.k.a. LD, RMB, smp_rmb)是一条告诉处理器在执行任何的加载前,先应用所有已经在失效队列中的失效操作的指令。

void executedOnCpu0() {
value = 10;
//在更新数据之前必须将所有存储缓存(store buffer)中的指令执行完毕。
storeMemoryBarrier();
finished = true;
}
void executedOnCpu1() {
while(!finished);
//在读取之前将所有失效队列中关于该数据的指令执行完毕。
loadMemoryBarrier();
assert value == 10;
}

 
最后
欢迎大家关注我的公种浩【程序员追风】,整理了1000道2019年多家公司java面试题400多页pdf文档,文章都会在里面更新,整理的资料也会放在里面。欢迎大家一起交流,喜欢文章记得点个赞哟,感谢支持!
 

一篇文章让你明白CPU缓存一致性协议MESI的更多相关文章

  1. 并发研究之CPU缓存一致性协议(MESI)

    CPU缓存一致性协议MESI CPU高速缓存(Cache Memory) CPU为何要有高速缓存 CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展,然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU.这就造 ...

  2. C和C++中的volatile、内存屏障和CPU缓存一致性协议MESI

    目录 1. 前言2 2. 结论2 3. volatile应用场景3 4. 内存屏障(Memory Barrier)4 5. setjmp和longjmp4 1) 结果1(非优化编译:g++ -g -o ...

  3. CPU缓存一致性协议—MESI详解

    MESI(也称伊利诺斯协议)是一种广泛使用的支持写回策略的缓存一致性协议,该协议被应用在Intel奔腾系列的CPU中. MESI协议中的状态 CPU中每个缓存行使用的4种状态进行标记(使用额外的两位b ...

  4. CPU缓存一致性协议与java中的volatile关键字

    有关缓存一致性协议MESI自行百度. 提出问题:volatile在缓存一致性协议上又做了哪些事情?为啥它不保证原子性? 在缓存一致性协议下,CPU为了执行效率使用了写(存储)缓存和失效队列从而导致对用 ...

  5. Java内存模型(二)volatile底层实现(CPU的缓存一致性协议MESI)

    CPU的缓存一致性协议MESI 在多核CPU中,内存中的数据会在多个核心中存在数据副本,某一个核心发生修改操作,就产生了数据不一致的问题,而一致性协议正是用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据 ...

  6. 多线程之:MESI-CPU缓存一致性协议

    MESI(Modified Exclusive Shared Or Invalid)(也称为伊利诺斯协议,是因为该协议由伊利诺斯州立大学提出)是一种广泛使用的支持写回策略的缓存一致性协议,该协议被应用 ...

  7. MESI-CPU缓存一致性协议

    转http://blog.csdn.net/realxie/article/details/7317630 http://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol MES ...

  8. 缓存一致性协议 mesi

    m : modified e : exlusive s : shared i : invalid 四种状态的转换略过,现在讨论为什么有了这个协议,i++在多线程上还不是安全的. 两个cpu A B同时 ...

  9. 10 张图打开 CPU 缓存一致性的大门

    前言 直接上,不多 BB 了. 正文 CPU Cache 的数据写入 随着时间的推移,CPU 和内存的访问性能相差越来越大,于是就在 CPU 内部嵌入了 CPU Cache(高速缓存),CPU Cac ...

随机推荐

  1. VS Code 中使用 GitHub pull request 插件提交代码

    VS Code作为一个代码编辑器,受到很多人的喜爱:其中有很多非常有用的插件/扩展功能,也会极大的提高我们的工作效率. 这里介绍一下GitHub pull request,用来向GitHub提交在VS ...

  2. 【前端新手也能做大项目】:跟我一起,从零打造一个属于自己的在线Visio项目实战【ReactJS + UmiJS + DvaJS】(二)

    本系列教程是教大家如何根据开源js绘图库,打造一个属于自己的在线绘图软件.当然,也可以看着是这个绘图库的开发教程.如果你觉得好,欢迎点个赞,让我们更有动力去做好! 本系列教程重点介绍如何开发自己的绘图 ...

  3. ACL2019: 《GraphRel: Modeling Text as Relational Graphs for Joint Entity and Relation Extraction》源码解析

    论文地址:<GraphRel: Modeling Text as Relational Graphs for Joint Entity and Relation Extraction> G ...

  4. 你必须知道的容器日志 (2) 开源日志管理方案 ELK

    本篇已加入<.NET Core on K8S学习实践系列文章索引>,可以点击查看更多容器化技术相关系列文章.上一篇<你必须知道的容器日志(1)>中介绍了Docker自带的log ...

  5. 【控制系统数字仿真与CAD】实验三:离散相似法数字仿真

    一.实验目的 1. 了解离散相似法的基本原理 2. 掌握离散相似法仿真的基本过程 3. 应用离散相似法仿真非线性系统 4. MATLAB实现离散相似法的非线性系统仿真 5. 掌握SIMULINK仿真方 ...

  6. 《面试官之你说我听》:简明的图解Redis RDB持久化、AOF持久化

    欢迎关注文章这一系列,一起学习 <提升能力,涨薪可待篇> <面试知识,工作可待篇> <实战演练,拒绝996篇> 如果此文对你有帮助.喜欢的话,那就点个赞呗,点个关注 ...

  7. 【NHOI2018】字符串变换

    [题目描述] 给你一个全部由大小写字母组成的字符串,你每次可以将一个小写字母变换成对应的大写字母,或把一个大写字母变换成对应的小写字母.请问:至少要进行多少次变换才可以使整个字符串全部由大写字母或全部 ...

  8. Rust入坑指南:鳞次栉比

    很久没有挖Rust的坑啦,今天来挖一些排列整齐的坑.没错,就是要介绍一些集合类型的数据类型."鳞次栉比"这个标题是不是显得很有文化? 在Rust入坑指南:常规套路一文中我们已经介绍 ...

  9. Rust 入门 (四)

    所有权是 rust 语言独有的特性,它保证了在没有垃圾回收机制下的内存安全,所以理解 rust 的所有权是很有必要的.接下来,我们来讨论所有权和它的几个特性:借用.切片和内存结构. 什么是所有权 Ru ...

  10. Ansible 常见模块介绍

    目录 Ansible 常见模块介绍 ping 模块 command 模块 cron 模块 user 模块 group 模块 copy 模块 file 模块 service 模块 shell 模块 sc ...