【并发编程】并发编程的基础

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硬件模型

CPU多级缓存

MESI -CPU缓存一致性协议

JAVA内存模型

8种操作

但是对于volatile修饰的变量有一些特殊规则

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硬件模型

        学习并发之前，我们要先简单了解一下计算的硬件模型。

程序加载到主存中之后，先加载到CPU高速缓存中待命，甚至会加载到CPU寄存器当中，让CPU进行处理。主存的处理速度是远远不如CPU的，所以中间加了一个CPU高速缓存，配合CPU的速度，定时和主存同步数据（因为主存跟不上CPU的频率，经常等待主存），另外为了让处理器内部运算单元尽可能的充分利用，处理器还会对输入的代码进行乱序执行，但是保证结果是一致的。而寄存器是CPU内存的基础，每个CPU都会包含一系列的寄存器。CPU在寄存器中的处理速度要比在主存中效率高。

 

CPU多级缓存

推荐文章

我们把CPU比喻成一个大型加工总部，内存为部件存储大仓库，而缓存就是总部与大仓库之间的小仓库，离CPU较近的小仓库是一级缓存，其次依次为二级缓存和三级缓存，当加工总部需要加工某个成品时候需要很多部件，这个时候缓存就是把所需要的部件提前从内存调出，存储在小仓库内，当总部加工需要某个部件时候就可以直接从最近的小仓库提取，就不必大费周章去内存大仓库调取。

 

既然存在多个缓存区域，那么怎么保证缓存数据的一致性呢？

MESI -CPU缓存一致性协议

MESI（modified Exclusive shared or invalid）是一种广泛使用的支持回写策略的缓存一致性协议。推荐文章

 CPU缓存行使用4种状态进行标记，进而将数据进行同步或失效来保持多级缓存的一致。

状态转化图

        

M：被修改（modified)	此数据被修改，但未同步到主存中	被写回到主存中，状态变成独享（E）
E：独享(Exclusive)	未被修改过，与主存一致的数据	被读取时，变成共享（S）
S：共享（shared）	被多个CPU缓存过，与主存一致	被修改之后，其他CPU中的此缓存失效（I）
I：失效（Invalid）	缓存无效

 

JAVA内存模型

Java Memory Model，JMM是JVM规范定义的一个抽象的概念。他屏蔽了Java程序在不同硬件和OS对内存访问的差异，实现了在不同平台上都能达到内存访问的一致性。主要是围绕如何处理原子性、可见性、顺序性这三个特征来设计的。

 

JVM的内存模型不同于JMM内存模型。JMM主要是为了定义程序中的共享变量的访问规则，即在虚拟机将变量存储（或取出）到主内存的底层细节。注意，像局部变量和方法参数这种线程私有的变量不包含在内。（可以把JMM的范围比作JVM中的堆存放的数据规则）。参考文章

 

那Java内存模型到底是什么呢？

                                           

说明：JVM规定共享变量都在主内存中产生，而JVM的每个线程都有自己的工作内存，是私有的，每个线程对共享变量修改的时候，都是在工作内存中对副本进行修改，然后经过JMM控制命令进而同步到主内存中来保持数据的一致性，而多个线程操作的这些同步变量都是经过主内存来进行传递同步的，有8种操作命令来完成。每种操作必须是原子性的。

 

8种操作

lock(锁定)	锁定主内存中的变量，只能供一个线程用
unlock(解锁)	释放主内存中的变量，其他线程才可以上锁
read(读取)	把主内存的变量传输到线程的工作空间
load(载入)	把read到工作空间的值，放到变量副本中
use(使用)	把工作内存中的变量传递给执行引擎
assign(赋值)	把执行引擎执行的结果赋值给变量副本
store(存储)	把工作内存中的变量传递给主内存
write(写入)	吧store到主内存中的变量值放到变量中

图例表示

                  

 

这几种操作之间也有一定的同步规则（执行顺序）

1. 如果要把一个变量从主内存传输到工作内存，那就要顺序的执行read和load操作，如果要把一个变量从工作内存回写到主内存，就要顺序的执行store和write操作。对于普通变量，虚拟机只是要求顺序的执行，并没有要求连续的执行
2. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
3. 不允许一个线程丢弃最近的assign操作，也就是不允许线程在自己的工作线程中修改了变量的值却不同步/回写到主内存
4. 不允许一个线程回写没有修改的变量到主内存
5. 变量只能在主内存中产生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的变量，也就是没有执行load或者assign操作。也就是说在执行use、store之前必须对相同的变量执行了load、assign操作
6. 一个变量在同一时刻只能被一个线程对其进行lock操作
7. 对变量执行lock操作，就会清空工作空间该变量的值
8. 不允许对没有lock的变量执行unlock操作
9. 对一个变量执行unlock之前，必须先把变量同步回主内存中

但是对于volatile修饰的变量有一些特殊规则

线程的安全性

               首先，多线程的意义是什么呢？目的在于最大限度的利用CPU资源。因为CPU速度太快了，但是我们IO速度，网络速度，数据库连接等跟CPU的速度相比较来说差太远，于是用多线程来减少CPU的空闲时间。但是在某个时刻内，CPU实际上只能执行一个线程，外部看起来是用了多线程，其实是操作系统对进程线程进行了管理，分配每个进程的时间，而每个进程内，程序自己处理线程的时间分配。就这样，多个线程来回进行切换调度。

               凡事有利有弊，那么多线程自然也带来了一些缺憾需要弥补，那就是线程的安全性。经常谈的是原子性，可见性和有序性。

      那么如何保证线程的安全性呢？

    原子性

    

    涉及问题

   1、CAS（compare and swap) 的ABA问题

         CAS算法：

         ABA问题：如果线程A对变量a初次读取的时候是1，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是1，那这中间很可能出现一种情况是线程B刚好把变量a从1设置成2，又再次设置成1，所以线程A看到的初始值1很可能已经被修改过，会有问题。

       如何解决？可以加版本号，推荐文章

 

   2、synchronize

         是通过底层系统指令来实现的，JDK1.6对其进行了优化，在其之前synchronize的性能很差，是重量级的锁，不如ReentranLock。但是1.6之后，引入了偏向锁等，提高了性能，在一般情况下还是建议使用synchronize。如果需要利用到Lock特性的时候，再使用Lock。

         底层主要是通过