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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。
一、CPU的结构与缓存一致性
1、现代CPU架构
现代CPU架构除了在片上继承多个核以外，还有为了减少对内存访问增加了多级缓存来提高运行速度。通常是三级缓存，及L1（核内独享）L2（核内独享）L3（核外共享）
上图描述了现代 CPU 的架构，每个 CPU 独立有 L1和L2 缓存，而共享 L3 缓存。假如我们有两个任务A和B，它们对 counter变量的加1是这样的，任务 A和B 其中一个访存，通过总线总裁只有一个任务能够通过数据总线和地址总线，把counter变量从内存中加载放入 L3缓存 中，然后任务 A和B 分别把 counter 加载到自己的 L1、L2 缓存中，接着进行操作，操作完毕后，只需要把结果放入缓存中即可。来考虑会出现什么问题?如果任务A获得了锁，并且在修改了 counter后放到了自己的L1缓存中，同样任务B也如此，那么问题来了，当任务A释放了锁，这时任务B获得了锁，情况又当如何呢？
由于counter的最新值在任务A的L1缓存中，这可怎么办？任务B所在的 CPU 的缓存上是旧值，应如何保证程序的正确性？这就是缓存一致性协议。
2、缓存一致性
来看看intel的MESI缓存一致性协议的状态描述
上述状态的描述非常容易理解，L1、L2、L3 的缓存是一行一行排列的，我们称之为缓存行，那么4 种状态，即modified、exclusive、shared、invalid 就是在缓存行中保留了两个状态位分别可以表示4种状态。
那么分别代表什么意思呢？从上述描述中应该就能够大致猜出这是什么状态了。例如 CPU 1加载了 counter 值，那么 counter 在缓存行中的状态为E状态，当CPU2加载 counter 值时，CPU1窥探到总线上再到内存中加载 counter 值，那么就会把自己缓存行中的数据放入 CPU2 的缓存行中，且把自己状态修改为S状态，表明 CPU1 和 CPU2 共享 counter 变量。而当CPU1获得了锁并且修收了 counter 值时，CPU 1中的 counter 缓存行状态就变为 M 状态，并且 CPU 2 窥探到 counter 值已经改变，可将缓存行状态变为1状态，此时当CPU 2在操作 counter 值时，由于CPU2的缓存行无效，因此就会重新从CPU 1中将counter的最新值加载至其中。这就保证了不同 CPU 中缓存一致性。
二、总结下CPU缓存一致性
（1） 一个处于 M 状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回内存中，或者将该值转发给需要这个值的 CPU，然后将状态修改为 S。
（2） 一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。
（3） 一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须将其缓存行状态设置为S，并且转发值给需需要的 CPU缓存行。
（4） 当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是 I，则需要重新发起读取请求，并把自己状态变成 S;如果不是 I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他 CPU 的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存或者转发后，再次读取。
（5） 当CPU需要写数据时，只有在其缓存行是 M或者 E 时才能执行，否则需要发出特殊的 RFO指令（read for ownership，这是一种总线事务），通知其他CPU置缓存无效（I），这种情况下性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为 M。
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。
