i++問題

“阿Q趕快回去吧，隔壁二號車間的虎子說我們改了他們的數據，上門來鬧事了”

由于老K的突然出現，我不得不提前結束與小黑的交流，趕回了CPU一號車間。

見到我回來，虎子立刻朝我嚷嚷：“你們是怎么回事?才幾納秒的時間，就把數據給我改了，你說這事怎么辦吧!”

我聽著迷迷糊糊的，連連說到：“虎子你先別急，我剛回來，到底出什么事兒了，先讓我了解清楚好不好?”

接下來，老K把事情的經過告訴了我。原來，我們兩個CPU車間各自負責的線程都在執行一個i++的操作，我們都把i的值放到了自己的緩存中，完了之后都沒有通知對方，加了兩次但結果卻只有一次，出現了數據不一致問題。

原子操作

了解清楚事情的原委之后，我向虎子說道：“大家都執行一樣的代碼，這事兒也不能怪我們啊”

虎子一聽急了，“怎么不怪你們了，我們比你們先一步找內存拿走了i，那你們得等我們加完之后再用啊，不信你可以打電話問內存那家伙，看看是不是我們二號車間先來的”

“好好好，你先冷靜一下，你看我們又不知道你們先去拿了，這不情有可原嗎，再說現在事情已經出了，我們應該一起坐下來想個辦法避免以后再次出現這種問題，你說是不是?”

虎子嘆了口氣問道：“那你說說你有什么辦法?”

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我繼續說道：“你看啊，像咱們在執行i++這種操作的時候就不應該被干擾”

“不被干擾?”

“對，比如虎子你們二號車間在訪問i的時候，我們一號車間就不能訪問，需要等著，等你們訪問完成我們再來，非常簡單的辦法卻很有用”

虎子聽完一愣，“這不就是加鎖嗎?你是想怪程序員做i++前沒有加鎖?”

“的確是加鎖，不過這種簡單操作還要程序員來加鎖那也太麻煩了，咱們CPU內部處理好就行了”

“內部處理，你打算怎么實現?”，虎子問到。

“這，，讓我想想···”，虎子問到了具體實現，我倒還沒想到這一步。

這時，一旁的老K站了出來：“我倒是有個辦法，可以找總線主任啊，他是負責協調各個車間使用系統總線訪問內存的總指揮，讓他在中間協調一下應該不難”

老K一語點醒夢中人，接著我們就去找了總線主任，后來我們商量出了一套解決方案：我們定義了一個叫原子操作的東西，表示這是一個不可切分的動作，誰要執行原子操作，總線主任就在系統總線上加上一個LOCK#信號，其他車間的想去訪問內存就得等著，直到原子操作指令執行完畢。

我們把這套方案上報了領導，很快就批下來了，后面我們8個車間都按照這套方案來工作，以后程序員們把i++這樣的動作換成原子操作后，問題就能迎刃而解。

不過施行了一段時間之后，各個車間卻開始大倒苦水：就因為某個車間要執行一個原子操作，就讓總線主任把系統總線鎖住，其他車間的人都沒法訪問內存，都干不了活了，嚴重影響工作效率。

抱怨歸抱怨，在沒有更好的替代方案出現之前，日子還得過下去。

緩存引發的問題

不過，沒過多久，數據不一致問題又一次出現了。

這一次，倒不是加法的問題，我們兩車間還是因為各自緩存的原因，先后修改了變量的值，對方沒有即時知道，誤用了錯誤的值，以致釀成大錯。

“阿Q，上次那辦法好是好，可解決不了這一次的問題啊”，虎子再次找上門來。

“你來的正好，我正想去找你說這事呢”

“哦，是嗎，難不成你想到破解之道了?”

“只是一些初步的想法，問題的核心在于現在咱們各個車間各自為政，都有自己的私有緩存，各自修改數據后向內存更新時也不互相打招呼，缺少一個聯絡機制”

虎子點了點頭，“確實，所以咱們需要建立一個聯絡機制，來對各個車間的緩存內容進行統一管理是嗎?”

“對!這事兒咱倆說了可不算，我建議召集8個核心車間的代表，統一開一個會議，詳細討論下這個問題。哦，對了，把總線主任也叫上，他經驗豐富說不定能提供一些思路”

緩存一致性協議MESI

很快，咱們CPU的8個核心車間就為此問題召開了會議，并且取得了非常重要的成果。

我們牽了一條新的專線，把8個核心車間連接起來，用于各個車間之間進行信息溝通，不同于CPU外部的總線系統，大家把這個叫片內總線。

新的線路鋪設好了，以后大家就可以通過這條線路即時溝通，為了解決之前出現的問題，大家還制定了一套規則，叫做緩存一致性協議。

規則里面規定了所有車間的緩存單元——緩存行有四種狀態：

• 已修改Modified (M)：緩存行已經被修改了，與內存的值不一樣。如果別的CPU內核要讀內存這塊數據，要趕在這之前把該緩存行回寫到主存，把狀態變為共享(S).
• 獨占Exclusive (E)：緩存行只在當前CPU核心緩存中，而且和內存中數據一樣。當別的CPU核心讀取它時，狀態變為共享;如果當前CPU核心修改了它，就要變為已修改狀態。
• 共享Shared (S)：緩存行存在于多個CPU核心的緩存中，而且和內存中的內容一致。
• 無效Invalid (I)：緩存行是無效的

四種狀態之間的轉換是這樣的：

按照這套規則，大家不能再像以前那樣隨意了，各車間對自家緩存進行讀寫時，都要相互通一下氣，避免使用過時的數據。

除此之外，還規定如果一塊內存區域被多個車間都緩存，就不再允許多個車間同時去修改緩存了。

會議還有另外一個收獲，以前被各車間詬病的每次原子操作都要鎖定總線，導致大家需要訪問內存的都只能干等著的問題也得到了解決。以后總線主任不再需要鎖定總線了，通過這次的緩存一致性協議就可以辦到。

自此以后，數據不一致的問題總算是根治了，咱們8個車間又可以愉快的工作了。