本文来自微信公众号：编程技术宇宙 （ID：xuanyuancoding），作者：轩辕之风
i++ 问题
“阿 Q 赶快回去吧，隔壁二号车间的虎子说我们改了他们的数据，上门来闹事了”
由于老 K 的突然出现，我不得不提前结束与小黑的交流，赶回了 CPU 一号车间。
见到我回来，虎子立刻朝我嚷嚷：“你们是怎么回事？才几纳秒的时间，就把数据给我改了，你说这事怎么办吧！”
我听着迷迷糊糊的，连连说到：“虎子你先别急，我刚回来，到底出什么事儿了，先让我了解清楚好不好？”
接下来，老 K 把事情的经过告诉了我。原来，我们两个 CPU 车间各自负责的线程都在执行一个 i++ 的操作，我们都把 i 的值放到了自己的缓存中，完了之后都没有通知对方，加了两次但结果却只有一次，出现了数据不一致问题。
原子操作
了解清楚事情的原委之后，我向虎子说道：“大家都执行一样的代码，这事儿也不能怪我们啊”
虎子一听急了，“怎么不怪你们了，我们比你们先一步找内存拿走了 i，那你们得等我们加完之后再用啊，不信你可以打电话问内存那家伙，看看是不是我们二号车间先来的”
“好好好，你先冷静一下，你看我们又不知道你们先去拿了，这不情有可原吗，再说现在事情已经出了，我们应该一起坐下来想个办法避免以后再次出现这种问题，你说是不是？”
虎子叹了口气问道：“那你说说你有什么办法？”
我继续说道：“你看啊，像咱们在执行 i++ 这种操作的时候就不应该被干扰”
“不被干扰？”
“对，比如虎子你们二号车间在访问 i 的时候，我们一号车间就不能访问，需要等着，等你们访问完成我们再来，非常简单的办法却很有用”
虎子听完一愣，“这不就是加锁吗？你是想怪程序员做 i++ 前没有加锁？”
“的确是加锁，不过这种简单操作还要程序员来加锁那也太麻烦了，咱们 CPU 内部处理好就行了”
“内部处理，你打算怎么实现？”，虎子问到。
“这，，让我想想・・・”，虎子问到了具体实现，我倒还没想到这一步。
这时，一旁的老 K 站了出来：“我倒是有个办法，可以找总线主任啊，他是负责协调各个车间使用系统总线访问内存的总指挥，让他在中间协调一下应该不难”
老 K 一语点醒梦中人，接着我们就去找了总线主任，后来我们商量出了一套解决方案：我们定义了一个叫原子操作的东西，表示这是一个不可切分的动作，谁要执行原子操作，总线主任就在系统总线上加上一个 LOCK#信号，其他车间的想去访问内存就得等着，直到原子操作指令执行完毕。
我们把这套方案上报了领导，很快就批下来了，后面我们 8 个车间都按照这套方案来工作，以后程序员们把 i++ 这样的动作换成原子操作后，问题就能迎刃而解。
不过施行了一段时间之后，各个车间却开始大倒苦水：就因为某个车间要执行一个原子操作，就让总线主任把系统总线锁住，其他车间的人都没法访问内存，都干不了活了，严重影响工作效率。
抱怨归抱怨，在没有更好的替代方案出现之前，日子还得过下去。
缓存引发的问题
不过，没过多久，数据不一致问题又一次出现了。
这一次，倒不是加法的问题，我们两车间还是因为各自缓存的原因，先后修改了变量的值，对方没有即时知道，误用了错误的值，以致酿成大错。
“阿 Q，上次那办法好是好，可解决不了这一次的问题啊”，虎子再次找上门来。
“你来的正好，我正想去找你说这事呢”
“哦，是吗，难不成你想到破解之道了？”
“只是一些初步的想法，问题的核心在于现在咱们各个车间各自为政，都有自己的私有缓存，各自修改数据后向内存更新时也不互相打招呼，缺少一个联络机制”
虎子点了点头，“确实，所以咱们需要建立一个联络机制，来对各个车间的缓存内容进行统一管理是吗？”
“对！这事儿咱俩说了可不算，我建议召集 8 个核心车间的代表，统一开一个会议，详细讨论下这个问题。哦，对了，把总线主任也叫上，他经验丰富说不定能提供一些思路”
缓存一致性协议 MESI
很快，咱们 CPU 的 8 个核心车间就为此问题召开了会议，并且取得了非常重要的成果。
我们牵了一条新的专线，把 8 个核心车间连接起来，用于各个车间之间进行信息沟通，不同于 CPU 外部的总线系统，大家把这个叫片内总线。
新的线路铺设好了，以后大家就可以通过这条线路即时沟通，为了解决之前出现的问题，大家还制定了一套规则，叫做缓存一致性协议。
规则里面规定了所有车间的缓存单元 —— 缓存行有四种状态：
已修改 Modified (M)
缓存行已经被修改了，与内存的值不一样。如果别的 CPU 内核要读内存这块数据，要赶在这之前把该缓存行回写到主存，把状态变为共享 (S).
独占 Exclusive (E)
缓存行只在当前 CPU 核心缓存中，而且和内存中数据一样。当别的 CPU 核心读取它时，状态变为共享；如果当前 CPU 核心修改了它，就要变为已修改状态。
共享 Shared (S)
缓存行存在于多个 CPU 核心的缓存中，而且和内存中的内容一致。
无效 Invalid (I)
缓存行是无效的
四种状态之间的转换是这样的：
按照这套规则，大家不能再像以前那样随意了，各车间对自家缓存进行读写时，都要相互通一下气，避免使用过时的数据。
除此之外，还规定如果一块内存区域被多个车间都缓存，就不再允许多个车间同时去修改缓存了。
会议还有另外一个收获，以前被各车间诟病的每次原子操作都要锁定总线，导致大家需要访问内存的都只能干等着的问题也得到了解决。以后总线主任不再需要锁定总线了，通过这次的缓存一致性协议就可以办到。
自此以后，数据不一致的问题总算是根治了，咱们 8 个车间又可以愉快的工作了。