糗大了！CPU一味求快出事儿了......
我叫阿 Q，是 CPU 一号车间里的员工，我所在的这个 CPU 足足有 8 个核，就有 8 个车间，干起活来杠杠滴。
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01
CPU 一味求快出事儿了
我所在的一号车间里，除了负责执行指令的我，还有负责取指令的小 A，负责分析指令的小胖和负责结果回写的老 K。
CPU 的每个车间都有一堆箱子，人们把这些箱子叫做寄存器，我所在的一号车间也不例外，我们每天的工作就是不断执行指令，然后折腾这些箱子，往里面存东西取东西。
由于我们四个人的出色工作，一号车间业绩突出，在年会上还多次获得了最佳 CPU 核心奖呢。
缓存
我们每天都需要跟内存打交道，不过由于内存这家伙实在太慢了，我们浪费了很多时间等待他给我们数据传输。
终于有一天，上面给我们下了命令，说竞争对手 CPU 的速度快赶上我们了，让我们想办法提升工作效率。
这一下可难倒了我们，我们平时干活绝没有偷懒，要怪只能怪内存那家伙，是他拖了我们后腿。
一天晚上，我们哥四个在一起聚餐，讨论起上面的这道命令来，大家都纷纷叹气。
就在一筹莫展之际，老 K 提出了一个想法：“兄弟们，我发现了一个现象，咱们和内存打交道的时候，如果访问了某个地址的数据，它周围的数据随后也大概率会被访问到”，说到这里，老 K 停顿了一下。
我一边听一边想着，小 A 倒是先开口：“然后呢？你想表达什么意思？”
老 K 继续说道：“咱每次数据都找内存要，太慢了，我寻思在咱们车间划一块区域，结合我发现的那个现象，以后让内存一次性把目标区域附近的数据一起给我们，我们存在这块区域，后面在需要用到的时候就先去这里找，找不到再去找内存要，岂不省事？”
听老 K 这么一描述，感觉靠谱，我也赶紧附和：“好办法！你们看啊，这内存老是拖咱后退，但是这家伙一时半会也快不起来，要不咱先用这招试试，看看能不能加快一点工作效率，给上面也有个交代。”
说干就干，我们很快就付诸实践了，我们还给这技术取了个名字叫缓存，效果居然出奇的好。
我们车间的工作效率那是飞速提升，但不知道是谁走漏了风声，其他几个车间也知道了这项技术，纷纷效仿。
这天，为了业绩，我们决定再加第三级缓存，这次把空间弄大点，不过咱们车间地盘有点局促，放不下，我们偷偷给上面领导反馈了这事儿，想让领导帮我们协调一下。
现在，我们用上了三级缓存技术，内存那家伙拖后腿的现象缓解了不少，相当部分时间我们都能从这三级缓存里面找到我们需要的数据。
乱序执行
随着技术的发展，咱们 CPU 工厂的工作性能也是不断攀升，慢慢的，我们几个又开始闲下来了，因为我们实在太快了，尽管有了缓存，但我们还是有了不少闲暇时间。
这天我还是像往常一样，小 A 取指令去了，我们知道这得要点时间，于是我和小胖还有老 K 我们仨斗起了地主。
打了好几把，小 A 才气喘吁吁的回来，“小胖，该你去指令分析了，你起来让我来打几把”。小胖赶紧起身干活，换上了小 A 上桌。
就这样我们几个轮流工作，一直保持着三个人的斗地主牌桌。
没想到的是，没过多久，厂里领导过来视察了，正好撞见我们几个打牌，狠狠的训斥了我们一顿。
“你们几个上班时间玩得挺嗨啊”，领导的脸拉的老长。
“领导，我们没有偷懒，这取指令、译码、执行、回写几个步骤都得分步执行，但是我们工作太快，存储器跟不上我们，我们等得无聊打发时间嘛”，我上前解释到。
“干等着你们也可以提前做一些后面的准备工作嘛，不要浪费时间，让生产效率更上一层楼”，领导说完就离开了，留下我们几个面面相觑。
不过领导的一番话倒是如一记重锤敲在我的头上，对啊，我们有这打牌的时间不如提前把后续指令的准备工作先做了，肯定能提升不少效率呢！
老 K 听后很赞赏我的思路，并补充到：“不仅是准备工作，像有些指令，比如加法，如果参与加法的数据不依赖前面指令的结果，咱们完全可以提前把这加法指令执行了嘛，把结果保存在缓存中，等真正轮到这条指令执行的时候，再把缓存中的结果写到内存中，这不也是节约了时间吗？”
大家开始头脑风暴起来，原来可以做的事情还这么多，之前光想着等靠要，现在要主动出击了，因为打乱了顺序提前会执行后面的指令，我们把这个技术叫做乱序执行。
“这次大家要保密哦，不能让隔壁车间知道咱们的这次讨论内容”，会议结束前，我提醒大家。
分支预测
按照这次会议讨论的结果，咱们第二天准备实行，不过刚一开始，就遇到了麻烦。
按照计划，我们在空闲时间里，会提前把后续要执行的指令能做的工作先做了，但麻烦的是我们遇到了一条判断指令。
大家只好放弃了提前做准备工作的想法，还是一步步来。
于是我们几个又商量，发明了一种叫分支预测的技术，遇到分支跳转时，按照之前的经验，如果某个分支经常被执行，那后续再去这个分支的概率一定很大。
那这样咱们预测后面会去到这个分支，就提前把这个分支后面指令能做的工作先做了。
果然，用上了分支预测和乱序执行后，我们车间的效率又狠狠的提升了一把，在工厂的集体大会上又一次表扬了我们，并且把我们的先进技术向全厂推广，在我们 8 个 CPU 核心车间都铺开了，性能甩开竞争对手 CPU 几条街。
然而幸福的日子没过太长，我们就因为这两项技术闯下了弥天大祸。
02
CPU 成了黑客的帮凶
事情还得从不久前的一个晚上说起。
神秘代码
uint8_t array1[160] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16};
uint8_t array2[256 * 512];
uint8_t temp = 0;
void bad_guy(int x) {
if (x < 16) {
temp &= array2[array1[x] * 512];
}
}
不到一会儿功夫，我们就执行了这个 bad_guy() 函数很多次，这不，又来了。
负责取指令的小 A 向内存那家伙打了一通电话，让内存把参数 x 的内容传输过来，我们知道，以内存那蜗牛的速度，估计得让我们好等。
我和负责数据回写的老 K 互相看了一眼，都点头表示同意。
于是，就在等待的间隙，我们又给内存那家伙打了电话，让他把 array1[x] 的内容也传过来。
x: 2
array1[x]: 3
拿到结果之后，我们开始一边执行 x<16 的比较指令，一边继续打电话给内存索要 array2[3] 的内容。
比较指令执行的结果不出所料，果然是 true，接下来就要走入我们预测的分支，而我们提前已经将需要的数据准备到缓存中，省去了不少时间。
就这样，我们成功的预测了后续的路线，我们真是一群机智的小伙伴。
遭遇滑铁卢
天有不测风云，不久，事情发生了变化。
“呀！比较结果是 false，这一次的 x 比 16 大了”，我执行完结果后发现和我们预期的有了出入。
老 K 安慰道：“没事儿，咱们只是提前把数据读到了我们的缓存中，没问题的，放心好啦”
我想了想也对，大不了我们提前做的准备工作白费了，没有多想就继续去执行>16 的分支指令了。
随后，同样的事情也时有发生，渐渐的我们就习惯了。
灾难降临
夜越来越深，我们都有点犯困了，突然，领导来了一通电话，让我们放下手里的工作火速去他办公室。
我们几个不敢耽误，赶紧出发。
来到领导的办公室，里面多了两个陌生人，其中一个还被绑着，领导眉头紧锁，气氛很是紧张。
“阿 Q 啊，你知不知道你们新发明的乱序执行和分支预测技术闯了大祸了？”
我们几个一听傻眼了，“领导，这是从何说起啊？”
领导从椅子上站了起来，指着旁边的陌生人说到：“给你们介绍一下，这是操作系统那边过来的安全员，让他告诉你们从何说起吧！”
这位安全员向大家点了点头，指着被捆绑那人说道：“大家好，我们抓到这个线程在读取系统内核空间的数据，经过我们的初审，他交代了是通过你们 CPU 的乱序执行和分支预测功能实现的这一目的。”
我和小 A 几个一听都是满脸问号，我们这两个提升工作效率的技术怎么就能泄漏系统内核数据呢？
真相大白
安全员显然看出了我们的疑惑，指着被捆绑的那个线程说道：“你把之前交代的再说一遍”
“几位大爷，你们之前是不是遇到了分支预测失败的情况？”，那人抬头看着我们。
“有啊，跟这有什么关系？失败了很正常嘛，既然是预测那就不能 100% 打包票能预测正确啊”，我回答道。
“您说的没错，不过如果这个失败是我故意策划的呢？”
听他这么一说，我的心一下悬了起来，“纳尼，你干的？”
“是的，就是我，我先故意给你连续多次小于 16 的参数，误导你们，误以为后面的参数还是小于 16 的，然后突然来一个特意构造的大于 16 的参数，你们果然上钩了，预测失败，提前执行了一些本不该执行的指令。”
“那又如何呢？我们只是把后面需要的数据提前准备到了缓存中，并没有进一步做什么啊”，我还是不太明白。
“这就够了！”
“好好好，我这就交代。你们把数据提前准备到了缓存中，我后面去访问这部分数据的时候，发现比访问其他内存快了很多”
“那可不，我们的缓存技术可不是吹牛的！哎等等，怎么又扯到缓存上去了？”，老 K 继续问道。
我们几个一边听着一边想着，琢磨了好一会儿总算弄清楚了这家伙的套路，老 K 气得火冒三丈，差点就想动手修理那人。
“好你个家伙，倒是挺聪明的，可惜都不用在正途上！好好的加速优化机制竟然成为了你们的帮凶”，我心中也有一团火气。
亡羊补牢
事情的真相总算弄清楚了，我们几个此刻已经汗流浃背。
以前的时候，线程执行在用户态和内核态时用的是同一本地址翻译手册，也就是人们说的页表，通过这本手册，我们 CPU 就能通过虚拟地址找到真实的内存页面。
现在好了，让线程运行在用户态和内核态时使用不同的手册，用户态线程的手册中，内核地址空间部分是一片空白，来一招釜底抽薪！
本以为我们可以回去了，没想到领导却给我们出了难题，“这祸是你们闯下的，人家操作系统那边虽然做了保护，你们是不是也该拿出点办法来呢，要不然以后我们 CPU 还怎么抬得起头来？”
你有什么好办法吗，帮帮我们吧！
幕后
本节描述的是两年前爆发的大名鼎鼎的 CPU 的熔断与幽灵漏洞。
乱序执行与分支预测是现代处理器普遍采用的优化机制。和传统软件漏洞不同，硬件级别的漏洞影响更大更深也更难以修复。
通过判断内存的访问速度来获知是否有被缓存，这类技术有一个专门的术语叫侧信道，即通过一些场外信息来分析得出重要结论，进而达成正常途径无法达成的目的。
03
CPU 瞒着内存竟干出这种事
今天忙里偷闲，来到厂里地址翻译部门转转，负责这项工作的小黑正忙得满头大汗。
看到我的到来，小黑指着旁边的座椅示意让我坐下。
坐了好一会儿，小黑才从工位上忙完转过身来，“实在不好意思阿 Q，今天活太多，没来得及招待你”
“刚忙什么呢，看你满头大汗的”，我问道。
“嗨，别提了，老是发现内存页面错误，不停地要通知操作系统那边去处理，真是怀念以前啊，没有这么多破事儿要管”，小黑叹了口气。
我一听来了兴趣，“小黑你给我说说你们的工作呗，地址翻译是怎么一回事儿，为什么怀念以前呢？”
小黑调整了下坐姿，咕噜咕噜喝了几口水说道，“这话说来可就话长了”
接下来小黑开始给我讲起了历史故事......
8086
那是一个纯真质朴的年代，虽然工作性能不高，不过那个年代的程序都很简单，我们的祖先一问世就成为了明星，称得上那个时代的顶流了。
通过这些触角，CPU 就可以跟内存打交道，获取指令和数据，辛勤的干活啦。
那个年代，条件比较差，能凑合的就凑合，能共用的就共用。这不，你看祖先 CPU 的地址总线针脚和数据总线针脚就共用了。
祖先是一个 16 位的 CPU，数据(Data)总线就有 16 位，一次性可以传输 16 个比特位。和地址(Address)总线凑合着一起共用，于是就取名 AD0-AD15。
不过祖先的地址总线却不止 16 个，还多出了 A16-A19 整整 4 个呢！这样有 20 个地址线，可以寻址 1MB 的内存了！
但是祖先的寄存器都是 16 位的啊，只能存放 16 位的地址。不过他们很聪明，发明了一个叫分段式存储管理的方法，把内存划分为最大 64KB 的小块，为什么是 64KB 呢，因为 16 位地址最多只能寻址这么大了。
32 位时代
后来，人类变得越来越贪心，想要一边听音乐，一边还要上网，同时还要编辑文档，这就同时需要运行多个程序。
这个时候，有人发现了商机，开发了一个叫操作系统的东西，原来那些程序不再直接和我们 CPU 打交道了，而是和操作系统打交道，操作系统再和我们打交道，中间商赚差价说的就是他们！
操作系统这玩意儿很聪明啊，通过时间片划分让我们 CPU 来轮流执行多个程序，一会儿让我们执行音乐播放，一会儿让我们执行浏览器程序，一会儿又让我们执行文档编辑程序。
我们是无所谓啊，给什么代码不是代码啊，我们不挑，埋头苦干就是了。人类的反应速度跟我们就差得远了，他们还以为这些程序真的是同时执行的呢。
虚拟内存
先祖们为了此事殚精竭虑，终于想出了一个好办法，一直沿用至今。
这样一来，每个程序都可以用的是 0x00000000 到 0xffffffff 总共 4GB 这么大范围的地址空间，当然不会真的给他们那么多空间，内存那家伙总共才 4GB 呢，而是要按需申请分配。
为此，在我们寄存器内部专门添置了一个新的寄存器 CR3，用来指向一个地址翻译查询字典，字典划分了两级目录。
我们把一个 32 位的地址划分了 3 部分，前面两部分分别指向两级目录中的条目，用来定位这个地址在物理内存的哪个页面，最后一部分就是指向物理内存页面的偏移，这样就完成了地址的翻译工作。
每个进程有不同的地址空间，切换进程的时候，把 CR3 的内容换一下就使用新进程的翻译字典，特别的方便。
我们把这种内存管理方式叫做分页式内存管理。
真佩服先祖们的智慧，这样巧妙的把各个程序隔离开来，后来我们把这种工作模式叫做保护模式，把之前那种直接使用真实内存地址的工作模式叫做实地址模式。
分页交换
人类变得越来越贪婪，程序变得越来越多，对内存的需求也越来越大。随着这些程序都不断申请内存页面，内存空间很快就要耗尽了。
操作系统那家伙也不赖，想出了一个好办法。内存的大小有限，但是硬盘给力啊，硬盘空间大的多，去硬盘上划一块区域来，把内存里长时间没有用到的页面给换到这块区域里去，然后做个标记。
如果后面谁要访问那个页面，咱们 CPU 就检查如果有这个标记，就发送一个页错误的中断信号告诉操作系统去把这个页面换回来。
通过我们之间的配合，解决了内存紧张的危机。后来我们把这个技术叫做内存分页交换。
现在
时间过得很快，到了我们这一辈，内存变得更大了，16GB 都是小 case，32GB 也很常见。
我们不仅从 32 位变成了 64 位，还从单核变成了多核，像我所在的 CPU 就有 8 个车间，8 核并行执行，比起先祖那个年代简直有云泥之别。
04
就为了一个原子操作
其他 CPU 核心罢工了
和小黑闲谈间，我们车间的老 K 突然出现在了门口。
“阿 Q 原来你在这里，让我好找，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······”
i++ 问题
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”
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。
“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。
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：
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。
作者：轩辕之风
编辑：陶家龙
出处：转载自微信公众号编程技术宇宙（ID：ProgramUniverse）
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