本文主要來學(xué)習(xí)內(nèi)存屏障和 CPU 緩存知識(shí)，以便于我們?nèi)チ私?CPU 對(duì)程序性能優(yōu)化做了哪些努力。

首先來看下 CPU 緩存：

CPU 緩存

CPU 緩存是為了提高程序運(yùn)行的性能，CPU 在很多處理上內(nèi)部架構(gòu)做了很多調(diào)整，比如 CPU 高速緩存，大家都知道因?yàn)橛脖P很慢，可以通過緩存把數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存里面，提高訪問速度，而 CPU 處理也有這個(gè)機(jī)制，盡可能把處理器訪問主內(nèi)存時(shí)間開銷放在 CPU 高速緩存上面，CPU 訪問速度相比內(nèi)存訪問速度又要快好多倍，這就是目前大多數(shù)處理器都會(huì)去利用的機(jī)制，利用處理器的緩存以提高性能。

多級(jí)緩存

CPU 的緩存分為三級(jí)緩存，所以說多核 CPU 會(huì)有多個(gè)緩存，我們首先來看下一級(jí)緩存（L1 Cache）：

L1 Cache 是 CPU 第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存，一般服務(wù)器 CPU 的 L1 緩存的容量通常在 32-4096 KB。

由于 L1 級(jí)高速緩存容量的限制，為了再次提高 CPU 的運(yùn)算速度，在 CPU 外部放置-高速存儲(chǔ)器，即二級(jí)緩存（L2 Cache）。

因?yàn)?L1 和 L2 的容量還是有限，因此提出了三級(jí)緩存，L3 現(xiàn)在的都是內(nèi)置的，它的實(shí)際作用即是，L3 緩存的應(yīng)用可以進(jìn)一步降低內(nèi)存延遲，同時(shí)提升大數(shù)據(jù)量計(jì)算時(shí)處理器的性能，具有較大 L3 緩存的處理器提供更有效的文件系統(tǒng)緩存行為及較短消息和處理器隊(duì)列長度，一般是多核共享一個(gè) L3 緩存。

CPU 在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先在 L1 Cache 中尋找，再從 L2 Cache 尋找，再從 L3 Cache 尋找，然后是內(nèi)存，再后是外存儲(chǔ)器硬盤尋找。

如下圖所示，CPU 緩存架構(gòu)中，緩存層級(jí)越接近 CPU core，容量越小，速度越快。CPU Cache 由若干緩存行組成，緩存行是 CPU Cache 中的最小單位，一個(gè)緩存行的大小通常是 64 字節(jié)，是 2 的倍數(shù)，不同的機(jī)器上為 32 到 64 字節(jié)不等，并且它有效地引用主內(nèi)存中的一塊地址。

多 CPU 讀取同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，進(jìn)行不同運(yùn)算之后，最終寫入主內(nèi)存以哪個(gè) CPU 為準(zhǔn)？這就需要緩存同步協(xié)議了：

緩存同步協(xié)議

在這種高速緩存回寫的場景下，有很多 CPU 廠商提出了一些公共的協(xié)議-MESI 協(xié)議，它規(guī)定每條緩存有個(gè)狀態(tài)位，同時(shí)定義了下面四個(gè)狀態(tài)：

• 修改態(tài)(Modified)：此 cache 行已被修改過(臟行),內(nèi)容已不同于主存，為此 cache 專有；
• 專有態(tài)(Exclusive)：此 cache 行內(nèi)容同于主存，但不出現(xiàn)于其它 cache 中；
• 共享態(tài)(Shared)：此 cache 行內(nèi)容同于主存，但也出現(xiàn)于其它 cache 中；
• 無效態(tài)(Invalid)：此 cache 行內(nèi)容無效(空行)。

多處理器，單個(gè) CPU 對(duì)緩存中數(shù)據(jù)進(jìn)行了改動(dòng)，需要通知給其它 CPU，也就是意味著，CPU 處理要控制自己的讀寫操作，還要監(jiān)聽其他 CPU 發(fā)出的通知，從而保證最終一致。

運(yùn)行時(shí)的指令重排

CPU 對(duì)性能的優(yōu)化除了緩存之外還有運(yùn)行時(shí)指令重排，大家可以通過下面的圖了解下：

比如圖中有代碼 x = 10;y = z;，這個(gè)代碼的正常執(zhí)行順序應(yīng)該是先將 10 寫入 x，讀取 z 的值，然后將 z 值寫入 y，實(shí)際上真實(shí)執(zhí)行步驟，CPU 執(zhí)行的時(shí)候可能是先讀取 z 的值，將 z 值寫入 y，最后再將 10 寫入 x，為什么要做這些修改呢？

因?yàn)楫?dāng) CPU 寫緩存時(shí)發(fā)現(xiàn)緩存區(qū)正被其他 CPU 占用（例如：三級(jí)緩存），為了提高 CPU 處理性能，可能將后面的讀緩存命令優(yōu)先執(zhí)行。

指令重排并非隨便重排，是需要遵守 as-if-serial 語義的，as-if-serial 語義的意思是指不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語義，也就是說編譯器和處理器不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序。

那么這樣就會(huì)有如下兩個(gè)問題：

1. CPU 高速緩存下有一個(gè)問題：

緩存中的數(shù)據(jù)與主內(nèi)存的數(shù)據(jù)并不是實(shí)時(shí)同步的，各 CPU（或 CPU 核心）間緩存的數(shù)據(jù)也不是實(shí)時(shí)同步。在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，各 CPU 所看到同一內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)的值可能是不一致的。

2. CPU 執(zhí)行指令重排序優(yōu)化下有一個(gè)問題：

雖然遵守了 as-if-serial語義，僅在單 CPU 自己執(zhí)行的情況下能保證結(jié)果正確。多核多線程中，指令邏輯無法分辨因果關(guān)聯(lián)，可能出現(xiàn)亂序執(zhí)行，導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。

如何解決上述的兩個(gè)問題呢，這就需要談到內(nèi)存屏障：

內(nèi)存屏障

處理器提供了兩個(gè)內(nèi)存屏障（Memory Barrier） 指令用于解決上述兩個(gè)問題：

寫內(nèi)存屏障（Store Memory Barrier）：在指令后插入 Store Barrier，能讓寫入緩存中的最新數(shù)據(jù)更新寫入主內(nèi)存，讓其他線程可見。強(qiáng)制寫入主內(nèi)存，這種顯示調(diào)用，CPU 就不會(huì)因?yàn)樾阅芸紤]而去對(duì)指令重排。

讀內(nèi)存屏障（Load Memory Barrier）：在指令前插入 Load Barrier，可以讓高速緩存中的數(shù)據(jù)失效，強(qiáng)制從新的主內(nèi)存加載數(shù)據(jù)。強(qiáng)制讀取主內(nèi)存內(nèi)容，讓 CPU 緩存與主內(nèi)存保持一致，避免了緩存導(dǎo)致的一致性問題。

Java 中也有類似的機(jī)制，比如 Synchronized 和 volatile 都采用了內(nèi)存屏障的原理。

總結(jié)

本文主要介紹了在提高程序運(yùn)行性能上，CPU 作出了哪些優(yōu)化：緩存和運(yùn)行時(shí)指令重排，最后還介紹了內(nèi)存屏障相關(guān)知識(shí)。

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