CPU和缓存一致性协议

在前文中我们讲了三级缓存,简而言之,计算机当中的每条指令的执行过程都是将数据从主存当中load到cpu本地缓存当中,计算结束后再次写回主存当中。 这个时候,如果是多处理器(MP(Multi_Processors)),就会存在线程之间数据同步的问题。

image.png 这个时候,就引入了一个新的概念,缓存一致性协议。 现代CPU数据一致性的实现实际上就是 缓存锁(缓存一致性协议)+总线锁

内存间交互操作 关于主内存与工作内存之间的具体交互协议,JMM当中规定了以下8种操作来完成,虚拟机实现时必须保证每个操作是原子的、不可再分的(对于double和long类型的变量,load、store、read、write操作在某些平台上可以例外)

lock(锁定): 作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占的状态
unlock(解锁): 作用于主内存的变量,把处于锁定状态的变量释放出来
read(读取): 作用于主内存变量,将变量值从主内存传到工作内存
load(加载): 作用于工作内存的变量,把read操作读来的变量值放入工作内存的变量副本当中
use(使用): 作用于工作内存的变量,把工作内存当中一个变量的值传递给执行引擎。每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作
assign(赋值): 作用于工作内存的变量,将从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量副本
store(存储): 作用于工作内存的变量,负责将工作内存的变量副本的值传递到主存当中
write(写入): 作用于主内存的变量,负责将store得到的变量副本值写到主存变量当中

Java规定了使用以上八种基本操作必须满足如下规则:

1.不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受,或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

2.不允许一个线程丢弃它最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回 主内存。

3.不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存 中。

4.一个新的变量只能在主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或 assign)的变量,换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前,必须先执行assign和load操作。

5.一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执 行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。

6.如果对一个变量执行lock操作,那将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。

7.如果一个变量事先没有被lock操作锁定,那就不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个 被其他线程锁定的变量。

8.对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)。