【多线程与高并发原理篇：2_缓存一致性的解决方案】

1. 概述

上一篇抛出了一个缓存不一致问题，即多线程在多cpu执行过程中，各cpu高速缓存之间会出现数据不一致，或者cpu高速缓存与主内存数据不一致。从计算机的发展历史看，解决缓存数据不一致，先后出现了两种方案，一种是总线加锁，该方案现在基本不用了，主要原因是性能差。第二种是目前主流的缓存一致性协议，也就是较为著名的MESI协议。

2. 总线加锁

cpu从主内存取数据到自己的高速缓存，或者将自己对应高速缓存数据同步刷新到主内存，都要经过总线。如下如所示：

如果线程2对flg=1要进行自增操作，首先cpu2要将主内存的数据flg=1读到自己的高速缓存，此时总线会加锁，然后再执行cpu2指令，将flg自增，并修改为flg=2，随后再写回高速缓存，最后同步刷新到主内存，这一过程结束后，总线才释放锁。

在总线加锁的过程中，cpu1就无法从主内存读取数据，也无法将已修改完的数据从高速缓存同步刷新到主内存，直到cpu2对应的线程完成加锁与释放锁的过程结后才能进行。

这个总线加锁机制，性能差，一旦多个线程对某个共享变量进行操作，就会因总线加锁导致线程串行化的问题，多个cpu多线程并发运行的时候，效率低。

3. 缓存一致性协议MESI

缓存一致性协议解决了上面总线加锁性能差、效率低的问题。

该方案采用了对高速缓存中的数据基本单位缓存行（cache line）加锁，而非通过总线加锁，在实现过程中，JVM会向处理器发送一条Lock前缀指令，保证锁的范围限定在各cpu所在的高速缓存中，完成数据修改后，强制将数据刷新到主内存，这一过程中会给总线发送数据修改消息，其他cpu通过总线嗅探机制，嗅探到自己高速缓存中的数据已修改，会失效自己当前的高速缓存数据，重新将主内存的最新数据加载到自己缓存，以保证主内存与各高速缓存中的数据一致性。

下面通过图例来说明：

线程1读数据：
1-1: 线程1对主内存数据进行读操作，将变量flg=1读到高速缓存，供cpu计算使用；
1-2: cpu向总线发送嗅探消息，一旦有其他高速缓存向总线发送修改缓存的消息，就执行1-3步骤；
1-3: 失效自己高速缓存数据flg=1，将主内存中的最新数据重新读入自己的高速缓存。

线程2写数据：
2-1: 线程2对主内存数据进行自增操作，先读取到高速缓存，再通过cpu指令完成自增操作后，写回主高速缓存，该步骤会对自己的高速缓存中的最小单位缓存行加锁；
2-2: 最后将flg=2刷回主内存，数据经过总线时，会给总线发送数据修改消息；

上述过程中，如果线程1再次读高速缓存的数据，会通过嗅探消息发现数据已更改，并确认得知数据也已经强制刷新到主内存中，做1-3步骤，失效自己的原先的flg=1，强制从主内存重新读取数据到cpu1的高速缓存中。

MESI协议在不同硬件底层有不同的实现方式，但可以在效果上达到两个目的：
（1）flush机制：对高速缓存的数据修改强制刷新到主内存；
（2）refresh机制：其他cpu如果嗅探到自己高速缓存的变量副本已被修改，失效自己的高速缓存，从主内存获取最新数据到高速缓存。

对于MESI协议的具体实现，里面还涉及到不少细节，将在后续的篇幅中慢慢展开。