¿Puedo forzar la coherencia de caché en una CPU x86 multinúcleo?

La coherencia de caché está garantizada entre los núcleos debido al protocolo MESI empleado por los procesadores x86. Solo tiene que preocuparse por la coherencia de la memoria cuando se trata de hardware externo que puede acceder a la memoria mientras los datos todavía se encuentran en las cachés de los núcleos. Sin embargo, no parece que sea tu caso aquí, ya que el texto sugiere que estás programando en Userland.

No necesita preocuparse por la coherencia de la caché. El hardware se encargará de eso. Lo que puede que tenga que preocuparse son los problemas de rendimiento debido a la coherencia de la caché.

Si core#1 escribe en una variable y core#2 lee esa misma variable, el procesador se asegurará de que la caché para core#2 esté actualizada. Dado que una línea de caché completa (64 bytes) tiene que ser leída desde la memoria, tendrá algún costo de rendimiento. En este caso, es inevitable. Este es el deseado comportamiento.

El problema es que cuando tiene varias variables en la misma línea de caché, el procesador podría pasar más tiempo manteniendo las cachés sincronizadas incluso si los núcleos están leyendo/escribiendo diferentes variables dentro de la misma línea de caché. Ese costo se puede evitar asegurándose de que esas variables no estén en la misma línea de caché. Este efecto se conoce como False Sharing ya que está forzando a los procesadores a sincronizar los valores de los objetos que no están realmente compartidos entre hilo.

Volátil no lo hará. En C++, volatile solo afecta a las optimizaciones del compilador, como almacenar una variable en un registro en lugar de memoria, o eliminarla por completo.

No especificó qué compilador está utilizando, pero si está en Windows, eche un vistazo a este artículo aquí. También eche un vistazo a las funciones de ynchronization sdisponibles aquí. Es posible que desee tener en cuenta que, en general, volatile no es suficiente para hacer lo que desea que haga, pero bajo VC 2005 y 2008, hay semántica no estándar agregada que agrega barreras de memoria implícitas alrededor de la lectura y la escritura.

Si quieres que las cosas sean portátiles, vas a tener mucho un camino más difícil por delante.

Hay una serie de artículos que explican las arquitecturas de memoria modernas aquí, incluyendo cachés Intel Core2 y muchos más temas de arquitectura moderna.

Los artículos son muy legibles y bien ilustrados. ¡Que lo disfrutes!

Hay varias sub-preguntas en tu pregunta así que las responderé a mi mejor conocimiento.

1. Actualmente no existe una forma portátil de implementar interacciones sin bloqueo en C++. La propuesta de C++0x resuelve esto introduciendo la biblioteca atomics.
2. No se garantiza que Volatile proporcione atomicidad en un multinúcleo y su implementación es específica del proveedor.
3. En el x86, no necesita hacer nada especial, excepto declarar variables compartidas como volátiles para evite algunas optimizaciones del compilador que pueden romper el código multiproceso. Volatile le dice al compilador que no almacene valores en caché.
4. Hay algunos algoritmos (Dekker, por ejemplo) que no funcionarán ni siquiera en un x86 con variables volátiles.
5. A menos que sepa con certeza que pasar el acceso a los datos entre subprocesos es un cuello de botella de rendimiento importante en su programa, manténgase alejado de las soluciones sin bloqueos. Utilice el paso de datos por valor o bloqueos.

El siguiente es un buen artículo en referencia al uso de volatile con programas roscados.

Volátil Casi Inútil para la Programación Multihilo.

Herb Sutter parecía simplemente sugerir que dos variables cualesquiera deberían residir en líneas de caché separadas. Hace esto en su cola concurrente con relleno entre sus bloqueos y punteros de nodo.

Edit: Si está utilizando el compilador Intel o GCC, puede usar los atomic builtins, que parecen hacer todo lo posible para adelantarse a la caché cuando sea posible.