1 原子性

1.1 CPU缓存

L1、L2：一级缓存、二级缓存，均为核心独有
L3：三级缓存，多个核心共用

多级缓存，弥补CPU与内存速度不匹配的问题

1.2 cache line

缓存进行管理的一个最小存储单元，缓存块

1.3 CPU读写数据

写直达策略

缓存中任何一个字节的修改，都会立刻传播到内存

效率很低

写回策略

写操作：

• 首先判断是否命中缓存，若命中，直接写在缓存中，并标记为脏数据
• 若没有命中缓存，则通过LRU算法定位一块新的缓存块，若其为脏数据，则刷到主存，并写入新的数据，标记为脏；若不为脏数据，则直接写入新的数据，标记为脏

读操作：

• 首先判断是否命中缓存，命中直接返回
• 若没有命中缓存，则通过LRU算法定位一块新的缓存块，若其为脏数据，则刷到主存，并写入新的数据，标记为非脏；若不为脏数据，则直接写入新的数据，标记为非脏

对于多个核心的情况下，写回策略存在问题：

假如一个处理器有两个核心，分别是A、B，A中写入i=10，此时内存中的数据为i=5，此时B读取数据，B直接从内存中获取数据，获取到i=5，即读到了不一致的数据

写传播 & 事务串行化

为了解决上述问题，提出了写传播和事务串行化。

写传播：
在处理器1中的A核心的操作，可以传播到B核心和其他处理器中。

主要是通过总线嗅探bus snooping的方式，即监听是否有数据变的。

事务串行化：
多个处理器对同一个值进行修改，在同一时刻只能有一个处理器写成功，必须保证写操作的原子性，多个写操作必须串行执行。

主要是通过lock指令来实现。

MESI协议

上述写传播中，我们并不需要把数据广播到所有处理器中，因为有时候用不上，所以提出了MESI协议。

主要原理：通过总线嗅探策略（将读写请求通过总线广播给所有核心，核心根据本地状态进行响应）

状态：

• Modified（M）：已修改，某数据已修改但是没有同步到内存中。如果其他核心要读该数据，需要将该数据从缓存同步到内存中，并将状态转为 S。
• Exclusive（E）：某数据只在该核心当中，此时缓存和内存中的数据一致。
• Shared（S）：某数据在多个核心中，此时缓存和内存中的数据一致。
• Invaliddate（I）：某数据在该核心中以失效，不是最新数据。

事件：

• PrRd：核心请求从缓存块中读出数据； Process Read
• PrWr：核心请求向缓存块写入数据；
• BusRd：总线嗅探器收到来自其他核心的读出缓存请求；
• BusRdX：总线嗅探器收到另一核心写⼀个其不拥有的缓存块的请求；
• BusUpgr：总线嗅探器收到另一核心写⼀个其拥有的缓存块的请求；
• Flush：总线嗅探器收到另一核心把一个缓存块写回到主存的请求；
• FlushOpt：总线嗅探器收到一个缓存块被放置在总线以提供给另一核心的请求，和 Flush 类似，但只不过是从缓存到缓存的传输请求。

状态机：

写后锁住ME状态，避免相关内存的访问

1.4 原子性的实现

原子操作：多线程环境下，确保对共享变量的操作在执行时不会被干扰，从而避免竞态条件。

对于多处理器多核心，要保证原子性：

• 操作指令不被打断（关中断）
• lock指令只需阻止其他核心对相关内存空间的访问
• MESI协议

2 锁

2.1 互斥锁

独占锁，当线程A获得锁后，线程B无法获得锁，只有A释放锁后才能获得锁。

互斥锁在被占用时，其他线程先在用户态自旋一会，若获取锁失败，会任务挂起，进入阻塞队列（内核中）。

锁释放后，线程从阻塞队列中取出，转换为就绪态。

2.2 自旋锁

自旋锁在发生资源冲突时，原地等待，转换为就绪态。

2.3 原子变量

• std::atomic<T>：声明原子变量
• is_lock_free：是否支持无锁操作，只有atomic_flag是无锁操作，只有true或flag，对应一个字节
• store(T desired, std::memory_order order) ：用于将指定的值存储到原子对象中
• load(std::memory_order order)：用于获取原子变量的当前值
• exchange(std::atomic<T>* obj, T desired)：obj参数指向需要替换值的atomic对象，desired参数为期望替换成的值。如果替换成功，则返回原来的值。
• compare_exchange_weak(T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure) ：比较一个值和一个期望值是否相等，如果相等则将该值替换成一个新值，并返回 true；否则不做任何操作并返回 false。
  注意，compare_exchange_weak 函数是一个弱化版本的原子操作函数，因为在某些平台上它可能会失败并重试。如果需要保证严格的原子性，则应该使用 compare_exchange_strong 函数。
• compare_exchange_strong(T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure)

3 内存序

由于编译器有时候会对指令进行优化重排，CPU也会对指令进行重排，但有时候可能产生问题。

内存序规定了多个线程访问同一个内存地址时的语义

• 某个线程对内存地址的更新何时能被其它线程看见
• 某个线程对内存地址访问附近可以做怎么样的优化

memory_order_relaxed

松散内存序，只用来保证对原子对象的操作是原子的，在不需要保证顺序时使用

memory_order_release

在写入某原子对象时，当前线程的任何前面的读写操作都不允许重排到这个操作的后面去

memory_order_acquire

在读取某原子对象时，当前线程的任何后面的读写操作都不允许重排到这个操作的前面去

memory_order_acq_rel

一个读‐修改‐写操作同时具有获得语义和释放语义，即它前后的任何读写操作都不允许重排

memory_order_seq_cst

顺序一致性语义

对于读操作相当于获得，对于写操作相当于释放，对于读‐修改‐写操作相当于获得释放

是所有原子操作的默认内存序，并且会对所有使用此模型的原子操作建立一个全局顺序，保证了多个原子变量的操作在所有线程里观察到的操作顺序相同，当然它是最慢的同步模型。