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前言

📫作者简介： 小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

本文讲解CPU角度的中断控制，CPU层面并行并发和中断控制的原理，现代CPU的缓存结构和架构图、CPU缓存一致性的源码原理，以及CPU如何通过编译器的屏障与指令实现系统屏障，经过内联汇编代码验证之后，证明上述所说的 Linux 内核用 volatile 关键字实现系统屏障（指令重排），加深对系统屏障的内核源码和原理的理解。

CPU总线

总线/缓存锁非常容易理解，我们回顾上图中描述的 CPU 架构图。

多个 core 也就是CPU核共享一个L3，然后L3后面就是内存，也就是使用同一个总线，我们来想想是不是可以对这根总线上锁，然后当CPU执行完一条指令后再解锁呢？当这个 CPU 在访存时不允许其他 CPU 再申请访问内存，如 CMPXCHG 指令，它是将寄存器的值和内存中的值比较并替换，那么如果我们直接写 CMPXCHGmemory，r，也就是将eax和memery地址的值比较，如果相同，则将r寄存器的内容放入 memory 地址中，将交换的值放入eax 中。想想这几个步骤，这将不会保证正在执行操作的CPU不会被其他CPU锁干扰，也就是这几个步骤不保证原子性。

那么如何做呢?如果写 LOCK CMPXCHG memory,r, 那么仅仅加一个 LOCK 前缀，但是这就够了，我们对这个操作上锁了,等我们这条指令操作完成后锁才释放,那么就能保证CPU这条操作满足原子性了。

我们知道 LOCK 前缀就是用来上锁的，那么想想我们对什么上锁，读者可能会说上述不是说了共享总线么，对总线上锁不就可以了

但是例如我通过一根控制总线拉高电平，这时其他 CPU 将不能够访存这就可以了，可是就像我们上述操作一样，仅仅对一个变量的地址上锁

那么有没有办法来缩小锁的力度，查看上图，我们的变量可是被加载到了CPU的高速缓存中，而且我们有 MESI协议呢？这就够了，我们可以看看如果变量在高速缓存中，那么我们通过 MESI协议 将其他CPU缓存的值变为 I 状态，这时其他 CPU 就无法再读取这个变量，于是它们就需要去访存，但是由于 MESI 规定了当有 CPU 在对这个变量操作的时候，其他 CPU 不能操作，直到 CPU 将值修改完成后置为 M 状态，因此可以通过 Forward 机制将修改的值转发给其他 CPU，这时状态变为 S，这也避免了其他 CPU 再去访问地址，因而极大地提高了效率。而且我们也将锁细粒度到了变量级别，就不用再去对总线上锁了。

总结

本文讲解CPU角度的中断控制，CPU层面并行并发和中断控制的原理，现代CPU的缓存结构和架构图、CPU缓存一致性的源码原理，以及CPU如何通过编译器的屏障与指令实现系统屏障，经过内联汇编代码验证之后，证明上述所说的 Linux 内核用 volatile 关键字实现系统屏障（指令重排），加深对系统屏障的内核源码和原理的理解。