多线程中的锁如何保证变量和可视性

[Suomea]

C

C 语言 POSIX 线程目定义了互斥量，如果临界区的代码更新了全局变量的值，那么在临界区结束之后通过什么机制来保证全局变量的可视性？

个人猜测？

在线程 unlock 的时候刷新自己缓存的值到主存，这样的话由于互斥访问所有的线程看到的都是最新的数据，并且临界区执行完成后的刷新保证后续的线程看到的也是最新的。

但是这样还有问题，就是线程是刷新线程本地的全部缓存到主存？还是只是和临界区相关变量的缓存到主存？具体的底层指令是啥或者原理是啥？

Java

其实 Java 也有一样的问题，搜索给出的答案都是内存屏障、Happen-before 原则，但是没有看到内存屏障、Happen-before 这些东西的底层原理或者伪代码解释~

希望能给出详细的解释或者权威的引用文档~

[LeegoYih]

八股文要从硅原子原理开始背了吗？

[yinmin]

多线程访问同一个变量，这个变量是存放在同一个地址空间里的，没有同步概念，也没有可视概念。

锁是为了事务的原子性。例如：a=a+1 ，a 原来值是 1 ，如果 2 个线程同时操作，都读到 1 ，然后都是回写 2 ，就出问题了。1 个线程加锁后，另外一个线程就会等到解锁再操作，避免了冲突。

[Suomea]

@LeegoYih 卷起来！！！ 其实不是

最近在看《操作系统导论》并发的部分，里面只讲了 LOCK#、CAS 解决原子性的问题，实现了互斥访问。但是想想没有讲述到可视性问题，遂求问~

[Ericcccccccc]

原理是搜 MESI, 这个其实是硬件保证的. 不同 cpu 架构还有差别. (比如某些架构下, 天生强一致, 不需要内存屏障也能行

[Suomea]

@yinmin 那如果多个线程是在多个 CPU 核心上运行呢，如果全局变量没有加 volatile 修饰，那么这个变量会缓存在 CPU 内部的 L1 吗？如果会临界区结束，要刷新 L1 到主存吗？如果要又是什么机制呢？啊啊啊~~~

[Suomea]

@Ericcccccccc 假设 IA-32 。那么锁是怎么和 MESI 机制结合的呢？是不是进入临界区之后，所有的缓存都使用了 MESI 机制，而不是临界区的缓存就不使用 MESI 机制了吗？

[Inn0Vat10n]

多核之间 cache 里数据的一致性问题是硬件管的，它有自己的一致性协议，软件这层不用管

[dode]

最下面就是 CPU ，寄存器，指令集，提供一些原语保证了

[Suomea]

@dode 是的，什么原语，怎么生效的呢？和锁的联动机制是啥？

[dode]

硬件对同步的支持-TAS 和 CAS 指令
https://www.cnblogs.com/upnote/p/13193856.html

cpu 硬件同步原语
https://baike.baidu.com/item/CAS/7371138


《计算机组成原理》 相关书籍

[Suomea]

@dode 这个我知道，我们可以通过 CAS + LOCK# 来实现互斥，即加锁。但是注意这里只是锁，而不是临界区的共享变量。举个自旋锁例子

mutex_t {
int flag; // 初始化等于 0 。1 表示锁被占用
}

lock(mutex_t *mutex) {
while(asm LOCK# CAS(mutex->flag, 0, 1) = 0)
;
}

unlock(mutex_t *mutex) {
mutex->flag = 0;
}

int a;

void 临界区() {
lock();
…… // 对 a 进行操作
unlock();
}

这里 CAS 只是保证了锁的正确性。但是我的问题是临界区的代码并没有对 a 进行额外的（刷新缓存，或者什么的）操作，至少代码上看是这样。那难道临界区的所有语句都加上 LOCK#，不应该，因为 LOCK# 支持的指令有限。

[Suomea]

内存屏障估计是
https://blog.csdn.net/D_Guco/article/details/109544621
https://blog.csdn.net/s2603898260/article/details/109234770

[dode]

你看 java 这个例子

https://www.jianshu.com/p/06717ac8312c
并发编程-（ 4 ）-JMM 基础（总线锁、缓存锁、MESI 缓存一致性协议、CPU 层面的内存屏障）
3.3.2 、JMM 层面的内存屏障


```java
class VolatileExample {
int a = 0;
volatile boolean flag = false;

public void writer() {
a = 1; //1
flag = true; //2
}

public void reader() {
if (flag) { //3
int i = a; //4
...
}
}
}
```

假设线程 A 执行 writer()方法之后，线程 B 执行 reader()方法，那么线程 B 执行 4 的时候一定能看到线程 A 写入的值吗？注意， [a 不是 volatile 变量] 。
      答案是肯定的。因为根据 happens-before 规则，我们可以得到如下关系：
      根据程序顺序规则，1 happens-before 2 ； 3 happens-before 4 。
      根据 volatile 规则，2 happens-before 3 。
      根据传递性规则，1 happens-before 4 。
      因此，综合运用程序顺序规则、volatile 规则及传递性规则，我们可以得到 1 happens-before 4 ，即线程 B 在执行 4 的时候一定能看到 A 写入的值。