同Cache Line下多变量多线程读写修改相关技术问题

问题场景说明 #

你描述的是CPU缓存领域典型的*伪共享（False Sharing）*问题，以下是针对两个问题的具体解答：

问题1解答 #

• 第一小问：两个线程确实都会将整个Cache Line写回主内存。Cache Line是CPU缓存和主内存之间数据传输的最小单位，主流CPU的Cache Line大小多为64字节，无论修改的是一行中1个字节还是全部字节，执行写回操作时都会写入整行的完整数据。
• 第二小问：不会出现同Cache Line内其他变量被意外修改的问题。这个场景下的正确性由CPU的缓存一致性协议（常见为MESI协议）保证：

  当线程1修改a后，它所持有的Cache Line会标记为Modified状态，同时会向其他持有该Cache Line副本的核心发送失效请求，线程2所在核心的对应Cache Line副本会被标记为Invalid失效状态。线程2要修改b时，必须先重新获取该Cache Line的最新副本（从线程1核心缓存或者主内存中读取），再修改b对应的字节，最终写回的整行数据里已经包含了a的最新修改值，只会更新b的部分，不会覆盖a的更新。

注：这个场景虽然不会出现数据错误，但会产生严重的性能损耗，两个线程的修改会不断触发Cache Line失效、跨核心同步，就是典型的伪共享性能问题。

问题2解答 #

Cache Line的读写操作在硬件层面存在互斥机制，由缓存一致性协议实现：

• 同一时间只能有一个CPU核心持有处于Modified状态的Cache Line，也就是说同一时间只有一个核心可以对该Cache Line执行写入操作，这个互斥逻辑由硬件自动完成，不需要上层软件干预。
• 注意这个互斥仅针对Cache Line对齐、且操作长度不超过Cache Line大小的硬件级原子操作，如果上层业务的访问是非对齐、跨Cache Line的，或者是多行的复合操作，仍然需要上层加锁来保证并发正确性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者AmirCH