简单易懂计算机内存模型之什么是高速缓存？

计算机内存模型

1.高速缓存的诞生

大家都知道计算机在执行程序时，是处理器CPU在执行，具体到每条指令。而这些指令数据，涉及了读取和写入，也就是内存。CPU的速度不用多说，是极快的，但是读取和写入内存这个操作却远远跟不上CPU的处理速度，如果每条指令都得等从内存中存取，那就太影响效率了。所以这时候，CPU中就加了一层高速缓存，作为内存与CPU之间的缓冲。

将每次运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能够快速进行，当运算处理结束后，再从缓存同步回内存，这样CPU就不用执行每条指令都等内存了。

2.高速缓存在多线程模式下的缓存一致性问题

虽然高速缓存成功的解决了处理器与内存间的矛盾，但是它也为计算机系统带来了更高的复杂度，那就是多线程情况下的缓存一致性。

首先假设我们有4个CPU，每个CPU都有自己的高速缓存，但是主内存就只有一个，是共享的。

如果他们共享使用的数据不是同一个就算了，万一用到了同一个变量，就会出问题了。

例如简单的a=1，a=a+1，a=a+1，a=a+1，a=a+1，就是a加了4次1，结果应该是5。但这时我们使用了多线程，4个CPU同时执行，刚好每个线程执行一次a+1。它们首先先把a的值读取到高速缓存中，然后进行a+1的运算，得到结果后再把高速缓存中的a同步回内存。那么结果会是5吗？很显然，不一定。说不定结果是2，也可能是3，也可能是4或5。如果CPU在读取a的值时，其他CPU没有得出结果并返回赋值给内存，那结果肯定是2。

这就是缓存一致性，通常这种多个线程访问的变量，被称之为【共享变量】。

3.解决缓存不一致的问题

知道了问题，就要想办法解决。

早期的CPU是通过在总线上加LOCK#锁的方式解决的，因为CPU和其他部件的通信都是通过总线的，总线上加LOCK#锁的话，就会阻塞CPU对其他部件的访问。从而使同一时间，只有一个CPU能访问内存，其他CPU在总线上被锁了，只能干巴巴的等着这个CPU处理完。这种方式其实就是强制单线程执行，而且过于简单粗暴，非常影响效率。

上面这种解决方式显然并不完美，所以后面就出了一个新的解决方法：缓存一致性协议。

通过协议解决，最出名的缓存一致性协议是Intel的MESI协议，它的核心思想是，当CPU在写入数据时，如果发现操作的变量是共享变量，就会发出信号通知其他的CPU将该变量的缓存设置为无效状态。这样当其他CPU需要读取这个变量使用时，就会发现自己缓存中的变量失效了，只能重新去内存读取。

结构大概如图：

对于高速缓存，我们就了解到这了，更多关于这块的详细内容，我会后期继续发布讲解。