（二）Java多线程 —— 并发编程的基础

并发编程的基础

一、 CPU多级缓存

1）为什么需要CPU cache:

CPU的频率太快了，主存跟不上，这样在处理器时钟周期内，CPU常常需要等待主存，浪费资源。
所以cache的出现，是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题（结构：cpu -> cache -> memory）.

2）CPU cache有什么意义：

1. 时间局部性：
   如果某个数据被访问，那么在不久的将来它可能被再次访问。
2. 空间局部性：
   如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据很快也可能被访问。

3）CPU 多级缓存 - 缓存一致性（MESI）:

用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据的一致。

1. 四种状态：

• Modified（被修改）:该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的，因此与主存中的数据是不一致的。该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点写回主存，
  在这个时间点是允许其他CPU读取主存中相应的内存之前，当这里面的值写回主存之后，该缓存中的状态将会变成“独享”状态.

• Exclusive（独享）:该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，是未被修改过的，与主存中的数据是一致的。当有其他CPU读取该内存时，会变成“共享”状态。
  同样的，当其他CPU修改该内存的值，则会变成“被修改”状态。

• share（共享）:意味着该缓存行可能被多个CPU进行缓存，并且各个缓存的数据与主存中数据是一致的。当有一个CPU修改该缓存行的时候，其他CPU中该缓存行是可以变成“无效”状态。

• invalid（无效的）：该缓存是无效的，可能是有其他CPU修改了该缓存行。

2. 四种操作：

• local read：读本地缓存中的数据。
• local write：将数据写到本地缓存。
• remote read：将内存中的数据读取过来。
• remote write：将数据写回到主存中去。

4）CPU 多级缓存 - 乱序执行优化：

处理器为提高运算速度二做出违背代码原有顺序的优化。

二、Java内存模型（Java Memory Model,JMM）：

1）Thread Stack(线程栈)：

主要存放基本类型的变量int short double 对象句柄，本地变量等等。
内存大小生存期是确定的，速度快，仅次于计算机的寄存器

2）Head（堆）：

主要存储运行的数据对象，由垃圾回收管理
内存大小动态分配，速度会慢一点

如果两个线程调用同一个对象
都会拥有这个对象的私有拷贝。

3）硬件架构：

每个CPU都包含一系列的寄存器（CPU Regusters）速度远大于在主存上的运行速度。

• 运行原理：
  CPU需要读取主存时，会将数据加载到CPU Cache Memory高速缓存中，然后再读取到寄存器里面，在寄存器里面执行操作，将执行的结果刷新到高速缓存中，最后在某个时间点刷新回主存。

• Java线程之间通信：
  线程A 与 线程B之间要进行数据通信时，需要把本地内存A中更新过的共享变量，刷新到主内存中，线程B中去主内存中读取，才能进行实现同步共享。

• Java内存模型抽象结构图：
  

4）Java内存模型 - 同步八种操作:

lock(锁定) -》unlock(解锁)-》read(读取)-》load(载入)-》use(使用)-》assign(赋值)-》store(存储)->write(写入)

5）Java内存模型 - 同步操作与规则：

操作：

主内存变量【lock】 ===>【read】Save/Load =>【load】工作内存=>【use】Java线程

【unlock】 主内存变量【write】 <===Save/Load【store】 <===工作内存【Assign】<===Java线程

规则：

1. 不允许read/load 或 write/store 单一操作，他们一个组合，而且是按顺序执行的，允许不连续执行，可插入其他指令。
2. 不允许线程丢弃调assign操作，必须把变化同步给主内存。
3. 不允许线程无发生assign操作，去同步给主内存。
4. 一个新的变量必须从主内存中诞生，不允许在工作内存使用一个未初始化的变量。
5. 一个变量只允许一条线程对其进行lock操作。但是可以被lock的这条线程执行多次，执行多次lock就要执行多少次unlock才会解锁。
6. 一个变量执行lock操作，它将会清空工作内存中此变量的值，重新执行load或assign来获得变量的值。
7. 没有lock的变量不允许执行unlock操作，也不能unlock被其他线程的lock的变量。
8. 执行unlock之前必须把变量值同步回主内存中。

三、并发的优势与风险

优势：

1. 速度：同时处理多个请求，响应更快，复杂的操作可以分成多个进程同时进行
2. 设计：程序设计在某些情况下更简单，也可以有更多的选择。
3. 资源利用：CPU能够在等待IO的时候做一些其他的事情。

风险：

1. 安全性：多个线程共享数据时可能会产生与期望不相符的结果。
2. 活跃性：某个操作无法继续进行下去时，就会发生活跃性问题，比如死锁、饥饿等问题。
3. 性能：线程过多时会使得：CPU频繁切换，调度时间增多，同步机制；消耗过多内存。

总结

• CPU多级缓存：缓存一致性、乱序执行优化
• Java内存模型：JMM规定、抽象结构、同步八种操作及规则
• Java并发的优势与风险