软硬件融合技术内幕 基础篇 (10) ——大厂高P毕业背后的隐情 (中)

上期说到，X姐虽然在努力之下晋升了P9，进入了高P序列，但由于和自己老板V姐都看上了白马女子私密会所的6666号技师，有时还会发生冲突，因此，X姐面临着绩效325甚至被从大厂毕业的危机。

在危机的压力下，X姐想到，能不能赋予6666号技师分身的能力，让白马会所有多个6666号技师，同时满足多个P9的需求呢？

在CPU设计中，这叫做缓存一致性。

所谓的缓存一致性包括内存和Cache的一致性，以及多处理器中各处理器Cache的一致性。

在处理器写入Cache的时候，有两种不同的方式，第一种称为写透(Write Through)，也就是将数据同时写入内存和Cache中，其流程如下图所示：

显然，写透的方式实现简单，逻辑直观，但问题也很明显：

无论数据是否在cache里面，每次写操作都必须在DRAM完成写入后，CPU才能把流水线中的内存访问部件释放出来执行下一条指令的写操作。这会严重影响内存写入的性能。

另一种方式叫写回(Write Back)。写回的实现有点像操作系统的虚拟内存换页机制，先把数据写入Cache的Cache Line，在Cache Line需要被替换掉(也就是映射到其他内存地址)的时候，才把Cache Line内容写到其映射的内存里面。显然，这种方式大大减少了向DRAM写入的次数，也就是提升了系统的性能。

但是，对于写回方式，在多核系统中就会造成缓存一致性的问题。

比较早期的CPU，对于缓存一致性的问题，解决方案非常简单粗暴：如果核心A对内存地址(物理地址)0xHHHHHHHH写入了内容，那么，CPU的Cache控制器会把其他核心缓存中指向0xHHHHHHHH所在的Cache Line均标为Dirty。如果其他核心需要对内存地址0xHHHHHHHH所在的缓存行大小的任何地址(如0x800055AA这个地址，所在的64Byte对齐范围在0x80005580-0x800055BF)进行读写，需要重新将这块内存地址加载到缓存，或写入时直接写入内存，这就造成了严重的排队现象：

不仅是6666号技师需要顾客们排队使用，与6666号技师连号的小伙伴们，从6660-6669号技师，都需要绑定在一块，只有6666号技师结束接待以后，其他技师才可以开始接待。

因此，工程师们对CPU缓存控制器进行了改进，实现了两点：

1. 写传播 (Write Propagation)。写传播指的是在一个CPU核心里，对Cache的更新可以传播到其他节点Cache里面，实现Cache内容的一致性；
2. 事务串行化 (Transcation Serialization)。事务串行化指的是，对Cache读取和写入，在所有CPU核心看来，其次序是完全一样的。

第1点非常容易理解，重点是第2点，在这里有必要解释一下什么叫“事务”。

事务(Transcation)，指的是具有确定性的，对数据进行的存取操作。

事务具备ACID四大特性。

A指的是原子性(Atomic)，也就是不可分割性，如X姐点了一份6666号技师的8888元-188分钟巴厘岛武则天套餐，就必须一次性消费完毕，而不能拆分为2次消费；

C指的是一致性(Consistency)，也就是X姐消费前钱在自己账户，消费后钱在白马会所账户，这件事情与巴厘岛武则天套餐服务应当同步发生，不会出现扣款而得不到服务的情况，也不会出现享受了服务而付款失败的情况；

I指的是隔离性(Isolation)，也就是X姐如果和V姐同时光临白马会所，两个人的消费是独立的，彼此不应当知道对方的存在，即使两个人都想点6666号技师，也不会在同一个时刻接受6666号技师的服务，而需要进行串行化(Serialization)；

D指的是持久性(Durability)，也就是X姐对白马会所6666号技师的消费记录是持久性的，即使在系统故障下也不会丢失；

一些有数据库基础的同学可能会发现，ACID是数据库事务操作的基本原则。实际上，计算机对内存的存取，也符合事务的以上特征，即对内存的存取必须是原子性，确定性，一致性的。

那么，如果对内存的存取没有实现串行化，也就是隔离性实现有缺陷，会发生这样的情况：

有CPU A对内存地址0x800055A0写入了0x00000100，而CPU B对内存地址0x800055A0写入了0x00000200。如果系统中不同CPU看来，这两个内存事务次序不一致，那么，会导致不同CPU认为内存中这个地址的值是不一致的！

因此，必须实现事务串行化，才可以实现缓存的一致性。

想在CPU中实现事务串行化，就需要实现对Cache Line增加一把“锁”。如果两个或多个CPU中有指向同一个内存地址的Cache Line，无论哪个CPU在写入这个Cache Line的时候，都需要拿到这把锁，只有拿到对应Cache Line的锁以后，才可以更新Cache Line的内容。

在CPU中，实现写传播和事务串行化的机制，叫做MESI和写广播(Write Broadcast)。

请看下回分解。