JS `SharedArrayBuffer` `Coherence Protocols` (缓存一致性协议) 与硬件交互

观众朋友们，晚上好！今儿咱聊聊SharedArrayBuffer背后那些“默契”的事儿：缓存一致性协议！

各位，JavaScript 里的 SharedArrayBuffer (SAB) 这玩意儿，大家或多或少都听过。它允许在不同的 JavaScript 上下文（比如 Web Workers）之间共享内存。想象一下，两个人同时编辑同一份文档，那得有多热闹！但这种热闹也可能引发混乱，比如一个人改了数据，另一个人却不知道，还在用旧数据。 这时候，就需要一种机制来保证数据的一致性，这就是缓存一致性协议登场的时候了。

1. 啥是缓存一致性协议？为啥要有它？

简单来说，缓存一致性协议就是一套规则，用来保证多个处理器（或者说核心）的缓存中，共享数据的副本始终保持一致。

• 缓存是个啥？ 缓存就像你的草稿本，把你经常用到的数据先抄一份放在手边，下次用的时候就不用再去翻大部头（主内存）了，速度嗖嗖的。
• 为啥要一致？ 多个核心都有自己的缓存，如果每个核心都随便改自己的缓存，那大家看到的数据就不一样了，程序就乱套了。

举个例子，小明和小红同时在编辑一个数字：

核心	缓存中的值	操作
小明	10	+5
小红	10	*2

如果没有缓存一致性协议，小明改完缓存里的值变成了15，小红改完变成了20。但主内存里的值可能还是10。 这样一来，大家都不知道应该相信谁的数据了。

所以，缓存一致性协议就像一个公正的裁判，负责协调各个核心的缓存，保证大家都看到的是最新的、一致的数据。

2. SharedArrayBuffer和缓存一致性：天生一对

SharedArrayBuffer 就像一块公共黑板，所有 Worker 都可以往上面写字。但如果没有规矩，大家随便乱写，这块黑板就废了。

缓存一致性协议就是这个规矩，它保证了：

• 当一个 Worker 修改了 SharedArrayBuffer 中的数据，其他 Worker 能够及时看到最新的数据。
• 避免出现数据竞争和脏读等问题。

3. 常见的缓存一致性协议：MESI协议

MESI 协议是目前最常用的缓存一致性协议之一。MESI代表了缓存行的四种状态：

• Modified (M): 缓存行已经被修改，并且只有当前缓存拥有最新的数据。数据与主内存不一致。必须在某个时刻写回主内存。
• Exclusive (E): 缓存行是独占的，只有当前缓存拥有该数据，并且数据与主内存一致。如果其他缓存想要读取该数据，可以直接从当前缓存读取，无需访问主内存。
• Shared (S): 缓存行被多个缓存共享，数据与主内存一致。当一个缓存想要修改该数据时，需要先通知其他缓存，将它们的状态变为Invalid。
• Invalid (I): 缓存行无效，数据不可用。需要从主内存或其他缓存中重新获取。

用人话来说：

• M状态： “这块数据我改过了，只有我有最新的版本，等我心情好了再写回主内存。”
• E状态： “这块数据只有我有，而且我和主内存的数据是一样的，你们可以直接来我这里拿。”
• S状态： “这块数据我们大家都有，而且和主内存的数据是一样的，随便用。”
• I状态： “这块数据我已经作废了，别信它！”

MESI协议的状态转换图

stateDiagram
    [*] --> Invalid : Initial State or Cache Line Replacement
    Invalid --> Shared : CPU Read (Shared Copy)
    Invalid --> Exclusive : CPU Read (Exclusive Copy, No Other Caches)
    Shared --> Shared : CPU Read (Shared Copy)
    Shared --> Invalid : Bus Invalidate (Another Cache Modifies)
    Shared --> Modified : CPU Write (Exclusive Ownership)
    Exclusive --> Modified : CPU Write
    Exclusive --> Shared : Bus Read (Another Cache Wants a Shared Copy)
    Modified --> Modified : CPU Write
    Modified --> Shared : Bus Read (Another Cache Wants a Shared Copy), Write Back to Memory
    Modified --> Invalid : Bus Invalidate (Another Cache Modifies), Write Back to Memory
    Modified --> Exclusive : Bus Invalidate (Another Cache Modifies), Write Back to Memory, and Now You Own Exclusively

代码示例：模拟MESI协议的部分行为

虽然我们不能直接在 JavaScript 中控制底层的缓存一致性协议，但我们可以模拟一些 MESI 协议的行为，来更好地理解它的原理。

// 模拟一个简单的缓存
class CacheLine {
  constructor(data, state = 'I') {
    this.data = data;
    this.state = state; // M, E, S, I
  }

  read(cpuId) {
    if (this.state === 'I') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache miss! Fetching data from main memory.`);
      this.data = fetchDataFromMainMemory(); // 假设有这样一个函数
      this.state = 'E'; // 假设当前没有其他缓存拥有该数据
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache line loaded in Exclusive state.`);
    } else if (this.state === 'M') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Data in Modified state.`);
    } else if (this.state === 'E') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Data in Exclusive state.`);
    } else if (this.state === 'S') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Data in Shared state.`);
    }
    return this.data;
  }

  write(cpuId, newData) {
    if (this.state === 'I') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache miss! Fetching data and modifying.`);
      this.data = fetchDataFromMainMemory();
      this.data = newData;
      this.state = 'M';
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache line loaded and modified in Modified state.`);
    } else if (this.state === 'M') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Modifying data in Modified state.`);
      this.data = newData;
    } else if (this.state === 'E') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Modifying data in Exclusive state.`);
      this.data = newData;
      this.state = 'M';
    } else if (this.state === 'S') {
      console.log(`CPU ${cpuId}: Cache hit! Invalidating other caches and modifying.`);
      // 模拟总线嗅探，通知其他缓存失效
      invalidateOtherCaches(this);
      this.data = newData;
      this.state = 'M';
    }
  }

  invalidate(cpuId) {
    console.log(`CPU ${cpuId}: Cache line invalidated.`);
    this.state = 'I';
  }
}

// 模拟主内存获取数据
function fetchDataFromMainMemory() {
  console.log("Fetching data from main memory...");
  return Math.floor(Math.random() * 100); // 模拟从主内存读取数据
}

// 模拟缓存失效操作
function invalidateOtherCaches(cacheLine) {
  // 在实际系统中，这里会通过总线广播消息，通知其他缓存失效
  console.log("Invalidating other caches...");
  // 这里只是一个模拟，实际中需要更复杂的机制
}

// 创建两个缓存
const cache1 = new CacheLine(null);
const cache2 = new CacheLine(null);

// CPU 1 读取数据
console.log("CPU 1 reads data:");
const data1 = cache1.read("1");
console.log(`CPU 1: Data = ${data1}`);

// CPU 2 读取相同的数据
console.log("nCPU 2 reads data:");
const data2 = cache2.read("2");
console.log(`CPU 2: Data = ${data2}`);

// CPU 1 修改数据
console.log("nCPU 1 writes data:");
cache1.write("1", data1 + 10);
console.log(`CPU 1: Data = ${cache1.data}, State = ${cache1.state}`);

// CPU 2 再次读取数据
console.log("nCPU 2 reads data again:");
const data3 = cache2.read("2");
console.log(`CPU 2: Data = ${data3}, State = ${cache2.state}`);

这个例子只是一个简化的模拟，它展示了 MESI 协议的一些基本概念，例如缓存状态的转换和缓存失效操作。 真实的缓存一致性协议要复杂得多，涉及到总线嗅探、写回策略、冲突解决等多种机制。

4. JavaScript 与 SharedArrayBuffer 的原子操作

虽然我们不能直接操作缓存一致性协议，但 JavaScript 提供了一些原子操作，可以帮助我们更好地利用 SharedArrayBuffer，避免数据竞争。

原子操作就像一个“事务”，要么全部完成，要么全部不完成，不会被其他操作打断。

JavaScript 提供了 Atomics 对象，它包含了一系列原子操作，例如：

• Atomics.load(typedArray, index): 原子地读取 typedArray 中指定索引的值。
• Atomics.store(typedArray, index, value): 原子地将 value 写入 typedArray 中指定索引的位置。
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue): 原子地比较 typedArray 中指定索引的值与 expectedValue，如果相等，则将 newValue 写入该位置，并返回原始值。
• Atomics.add(typedArray, index, value): 原子地将 value 加到 typedArray 中指定索引的值上，并返回原始值。

代码示例：使用原子操作避免数据竞争

// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const int32Array = new Int32Array(sab);

// Worker 1
function worker1() {
  // 模拟一些计算
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    // 使用原子操作增加计数器
    Atomics.add(int32Array, 0, 1);
  }
  postMessage("Worker 1 finished.");
}

// Worker 2
function worker2() {
  // 模拟一些计算
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    // 使用原子操作增加计数器
    Atomics.add(int32Array, 0, 1);
  }
  postMessage("Worker 2 finished.");
}

// 创建两个 Worker
const worker1Code = `(${worker1.toString()})()`;
const worker2Code = `(${worker2.toString()})()`;

const worker1Blob = new Blob([worker1Code], { type: 'text/javascript' });
const worker2Blob = new Blob([worker2Code], { type: 'text/javascript' });

const worker1URL = URL.createObjectURL(worker1Blob);
const worker2URL = URL.createObjectURL(worker2Blob);

const worker1Instance = new Worker(worker1URL);
const worker2Instance = new Worker(worker2URL);

// 将 SharedArrayBuffer 传递给 Worker
worker1Instance.postMessage({ sab });
worker2Instance.postMessage({ sab });

// 监听 Worker 的消息
let workersFinished = 0;
worker1Instance.onmessage = function(event) {
  console.log(event.data);
  workersFinished++;
  if (workersFinished === 2) {
    console.log(`Final count: ${int32Array[0]}`); // 预期结果：200000
  }
};

worker2Instance.onmessage = function(event) {
  console.log(event.data);
  workersFinished++;
  if (workersFinished === 2) {
    console.log(`Final count: ${int32Array[0]}`); // 预期结果：200000
  }
};

在这个例子中，两个 Worker 同时对 SharedArrayBuffer 中的计数器进行累加。 通过使用 Atomics.add 原子操作，可以保证即使两个 Worker 同时执行累加操作，计数器的值也能正确地增加。 如果不使用原子操作，可能会出现数据竞争，导致计数器的值小于 200000。

5. SharedArrayBuffer 的使用场景和注意事项

SharedArrayBuffer 是一种强大的工具，但使用不当也可能带来问题。

使用场景：

• 高性能计算： 可以将计算任务分解成多个子任务，分配给不同的 Worker 并行执行，从而提高计算速度。
• 图像处理： 可以将图像数据存储在 SharedArrayBuffer 中，让不同的 Worker 同时处理图像的不同部分。
• 音视频处理： 可以将音视频数据存储在 SharedArrayBuffer 中，让不同的 Worker 同时进行解码、编码等操作。
• 游戏开发： 可以将游戏状态存储在 SharedArrayBuffer 中，让不同的 Worker 处理游戏的不同逻辑。

注意事项：

• 数据竞争： 必须使用原子操作或其他同步机制（例如锁）来避免数据竞争。
• 死锁： 在使用锁时，要小心避免死锁。
• 安全性： SharedArrayBuffer 可以被恶意利用，因此需要谨慎使用。 需要启用 COOP (Cross-Origin-Opener-Policy) 和 COEP (Cross-Origin-Embedder-Policy) 头部，以提高安全性。

6. COOP 和 COEP 头部：安全卫士

由于Spectre和Meltdown等安全漏洞的出现，SharedArrayBuffer的使用变得更加谨慎。为了缓解潜在的风险，浏览器引入了Cross-Origin Opener Policy (COOP)和Cross-Origin Embedder Policy (COEP)头部。

• COOP: 控制哪些网站可以与你的网站共享一个浏览上下文组（browsing context group）。它可以设置为same-origin，same-site，或unsafe-none。 same-origin可以有效地隔离你的网站，防止跨站脚本攻击。

• COEP: 控制网站可以嵌入哪些资源。它可以设置为require-corp，credentialless，或unsafe-none。require-corp要求所有跨域资源必须通过CORS验证，从而防止恶意资源被嵌入。

要使用SharedArrayBuffer，你的网站通常需要同时设置这两个头部：

Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp

这些头部可以确保你的网站运行在一个隔离的环境中，从而降低安全风险。

7. 总结

好了，今天就跟大家聊到这里。 缓存一致性协议是 SharedArrayBuffer 的幕后英雄，它保证了多个 Worker 能够安全、高效地共享内存。 虽然我们不能直接操作缓存一致性协议，但我们可以通过原子操作和其他同步机制来更好地利用 SharedArrayBuffer。记住，安全第一，使用 SharedArrayBuffer 时要格外小心，避免数据竞争和安全漏洞。希望今天的讲解能帮助大家更好地理解 SharedArrayBuffer 的工作原理。

感谢大家的收听，咱们下期再见！