多线程 - 内存屏障和cpu缓存

CPU性能优化 - 缓存

为了提高程序运行的性能，现代CPU在很多方面会对程序进行优化。CPU的处理速度是很快的，内存的速度次之，硬盘速度最慢。在cpu处理内存数据中，内存运行速度太慢，就会拖累cpu的速度。为了解决这样的问题，cpu设计了多级缓存策略。

CPU分为三级缓存：每个CPU都有L1,L2 但是L3是多核公用的。

L1 Cache (一级缓存)是CPU第一层告诉缓存，分为数据缓存和指令缓存。一般服务器的CPU的L1缓存的容量通常在32-4096K
L2 Cache (二级缓存)由于L1高速缓存的容量限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一告诉存储器，即二级缓存。
L3 Cache (三级缓存) 都是内置的，它的作用是进一步降低内存延迟，同事提升大数据量计算时处理器的性能。具有较大L3缓存的处理器，能提供更有效的文件系统缓存行为及较短的消息和队列长度。一般多核共享一个L3缓存。

CPU查找数据的顺序为： CPU -> L1 -> L2 -> L3 -> 内存 -> 硬盘

缓存同步协议

因为每个CPU都有自己的缓存，容易导致一种情况就是如果多个CPU的缓存(多CPU读取同样的数据进行缓存，进行不同运算后，写入内存中)中都有同样一份数据，那这个数据要如何处理呢？已谁的为准？这个时候就需要一个缓存同步协议了！
MESI协议 规定每条缓存都有一个状态位，同时定义了一下四种状态：

修改态 (Modified) 此缓存被修改过，内容与住内存不同，为此缓存专有
专有态 (Exclusive) 此缓存与主内存一致，但是其他CPU中没有
共享态 (Shared) 此缓存与住内存一致，但也出现在其他缓存中。
无效态 (Invalid) 此缓存无效，需要从主内存中重新读取。

多处理器，单个CPU对缓存修改，需要通知其他CPU. 也就意味着，CPU需要控制自己的读写，还需要监听其他CPU发出的通知，从而保持最终一致性。

CPU性能优化 - 运行时指令重排序

例如如下代码是：

指令重排：当CPU 写缓存 时发现缓存区被其他CPU占用，为了提高CPU处理性能，可能将后面的读缓存命令优先执行。
指令重排序，遵循 as-if-serial语义。即指令重排序前后，程序执行的结果不能变化。对于数据有依赖的部分，不会进行重排序。

问题

1、CPU高速缓存的问题：
缓存中的数据与主内存的数据不是实时同步的，各个CPU间缓存的数据也不是实时同步的，在同一时间点，各个CPU所看到的的同一内存地址的数据可能是不一致的

2、CPU指令重排优化问题：
虽然遵循 as-if-serial语义，但是它是仅在单个CPU自己执行的情况下保证结果正确，多核多线程，指令逻辑无法分辨因果关联，可能出现乱序执行，导致程序结果出现错误。

内存屏障解决以上问题

写内存屏障(Store Memory Barrier)：在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中最新数据更新写入主内存中，让其他线程可见。强制写入主内存，这种显示调用，不会让CPU去进行指令重排序
读内存屏障(Load Memory Barrier)：在指令后插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从住内存中加载数据。也是不会让CPU去进行指令重排。