线程间内存访问同步的问题

先看一小段程序

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <thread>

#define USE_ATOMIC 1
const int test_times = 100;

#if USE_ATOMIC
    #include <atomic>
    std::atomic<int> count{
   
   0};
#else
    int count = 0;
#endif

void increase(int num) {
   
   
    for (int i = 0; i < num; i++) {
   
   
    #if USE_ATOMIC
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        count.fetch_add(1);
    #else
        ++count;
    #endif
    }
}

int main() {
   
   

    for(int i = 0; i < test_times ; i++) {
   
   
    #if USE_ATOMIC
        count.store(0);
    #else
        count = 0;
    #endif
        std::thread t1(increase, 500);
        std::thread t2(increase, 500);
        std::thread t3(increase, 500);
        std::thread t4(increase, 500);
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
        t4.join();
    #if USE_ATOMIC
        std::cout << "count.load() =  " << count.load() << std::endl;
        if (count.load() != 2000) {
   
   
    #else
        if (count != 2000) {
   
   
    #endif
            std::cout << "i: " << i << " count :" << count << std::endl;
            break;
        }

    }
    return 0;
}

USE_ATOMIC 1 程序运行完后，直接退出：说明每次创建的t1,t2,t3,t4四个线程都能把原子变量std::atomic count，增加到2000，程序执行100次，一次失误都没有
USE_ATOMIC 0 程序输出 i: 0 count :1298：说明没有使用原子变量的情况下，i的值是0说明程序只跑了一次，就出了问题，count并没有通过t1,t2,t3,t4四个线程增加到2000。

通过这个例子只想说明，在多线程的程序，对变量的访问存在内存同步的问题（t1,t2,t3,t4四个线程对普通变量 int count 的修改，并没有很好的同步给彼此）。

怎么理解这种现象呢？---- 需要理解多核cpu的存储体系结构。

理解cpu的存储体系结构

cpu存储架构

cpu的速度非常快，内存较慢，为了解决cpu与内存之间速度不匹配的问题，在cpu 与内存之前加了很多级缓存。
类似于写磁盘的操作，写之前也会先写到cache buffer，然后再由cache buffer写入磁盘。
在这里插入图片描述
上图是一个双核的cpu
锁读内存相关的总线: cache line （缓存行，大小为64字节，在不同架构和系统中可能会有所变化）
cache L1,L2 是cpu每个核心独享的， L3是所有核心共享的cache
cpu访问内存的顺序如下：
L1---> L2 ---> L3 ----> 主存（内存）
先在L1中找，没有找到，去L2找，没有找到去L3找，没有找到去主存找，读到数据之后，
又会反过来写入到缓冲中去，等一下次再需要读数据的时候，就可以直接从缓存中取了。
但是缓存的都是比较小的，里面会不停的有数据的进入与淘汰，谁负责这些呢？MESI协议，LRU策略等。

cache line

在这里插入图片描述
cache line, cpu从缓存中读数据的基本单元
flag| tag | data: flag判断缓存是否失效 (存MESI 的状态)；tag:数据存在哪个地方； data是数据48byte

了解一下写回策略 write-back

cpu要写一个数据，先根据tag, 判断缓存是否命中
1 命中直接写，标记脏数据(直接写缓存)
2 没有命中，缓存里没有值：先在缓存中定位一个缓存块cache line
a 脏数据（数据还没有写到内存里），把数据写回内存(通过LRU策略淘汰掉的数据才写回内存）
b ==数据尽量停留在缓存里==，数据在缓存里被淘汰了，才写回内存
c 内存与缓存里的数据一样，不标记脏数据

==数据尽量停留在缓存里== 这是核心思想，只有这样cpu取数据、指令会快一些

多线程运行在cpu的多核之中，数据怎么共享，怎么同步？

通过事件串行化

假如有t1,t2两个线程对i进行写，t3对i进行读，t1,t2写完的顺序不一样，就会导致t3读到数据可能与最终的结果不一致。
这时可以通过锁指令，分别对t1,t2上锁，确保t3读到正确的值。
但是如果每一次，都广播给其它的核心，代价较大，有可能浪费带宽（不是所有的核心都需要i），这里引入MESI来解决问题。

通过MESI

MESI是一种缓存一致性协议，用于在多处理器系统中保持数据的一致性。它定义了四种状态：Modified（修改），Exclusive（独占），Shared（共享）和Invalid（无效）。当一个处理器访问某个内存位置时，它将读取该位置的值，并将其保存在缓存中。此时，该缓存行的状态被标记为“独占”，表示该处理器是唯一拥有该数据的。如果另一个处理器需要访问相同的内存位置，则必须通过总线请求缓存行。如果该缓存行的状态为“共享”，则该处理器可以直接从缓存中读取数据，而不需要访问主内存。如果该缓存行被标记为“修改”状态，则表示当前处理器已经对其进行了修改，并且需要向其他处理器发送通知，以便它们更新自己的副本或者使其失效。

使用MESI协议可以确保多个处理器之间共享数据时，各自拥有最新版本，并且避免了数据冲突和不一致性问题。

原子操作

1 对于单处理，单核心的机器，一个操作（三条指令）要保持它的原子性，就是确保这三条指令执行的时候不被打断就行。
在执行这三条指令之前屏蔽掉中断，执行完，恢复中断即可。

2 对于多处理器多核心的机器（不同处理间有高速互联总线HSIB ），确保1的同时还需要做到：
以往的处理方式是锁住HSIB，确保原子操作的时候，两个处理器之前不交换数据
现在是通过lock指令，阻止其他核心对相关内存空间的访问

CAS锁

CAS锁（Compare-and-Swap Lock）是一种乐观锁，也被称为无阻塞算法。它基于CPU提供的原子指令实现，用于解决并发环境下对共享资源的竞争访问问题。

CAS锁操作包括三个参数：内存位置V、期望值A和新值B。当V中的值等于A时，将V中的值修改为B，并返回true；否则不修改V中的值，并返回false。通过多次调用CAS操作，可以实现并发环境下对某个共享变量进行安全地读写。

使用CAS锁需要注意以下几点：

1 CAS操作是原子性的，但不能保证在高并发环境下绝对安全；
2 在使用CAS锁时，需要确保所有线程都使用相同的期望值A；
3 如果期望值A与当前内存位置V中的值不匹配，则需要重新尝试操作直到成功。

常用到的方法
compare_exchange_strong ------------ 会阻塞cpu, 会慢一些
compare_exchange_weak --------------- 有可能失败，性能高, 可以加while直到它成功
文章参考与<零声教育>的C/C++linux服务期高级架构系统教程学习:链接

理解原子操作与CAS锁