并发相关

并发及锁

并发是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力；并行是同一时间动手做（doing）多件事情的能力。从应用程序软件的角度来看，线程安全问题的产生是由于多线程应用中缺少线程同步机制（多线程并发）。线程同步机制是一套用于协调线程间的数据访问及活动的机制，该机制用于保证线程安全以及实现这些线程的共同目标。如果把线程比作在公路上行驶的车辆，则线程同步机制就好比是任何车辆都要遵循的交通规则。Java中提供的线程同步机制包括锁，volatile关键字，final关键字，static关键字以及一些相关的API,如Object.wait()和Object.notify()。

并发编程中的问题，往往源于缓存导致的可见性问题、线程切换导致的原子性问题以及编译优化带来的有序性问题。以 Java 虚拟机为例，每个线程都拥有一个属于自己的线程栈（调用栈），随着线程代码的执行，调用栈会随之改变。线程栈中包含每个正在执行的方法的局部变量。每个线程只能访问属于自己的栈。调用栈中的局部变量，只有创建这个栈的线程才可以访问，其他线程都不能访问。即使两个线程在执行一段相同的代码，这两个线程也会在属于各自的线程栈中创建局部变量。

线程安全问题的产生前提是多个线程并发访问共享变量（共享资源），可以通过将多个线程对共享数据的并发访问转化为串行访问，也就是说一个共享数据以此只能被一个线程访问，该线程访问结束后其他线程才能对其进行访问。在硬件底层也是采用这种思路保障共享资源的安全。

关于CPU的锁有如下3种：

　　3.1 处理器自动保证基本内存操作的原子性

　　首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存当中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。奔腾6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器不能自动保证其原子性，比如跨总线宽度，跨多个缓存行，跨页表的访问。但是处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。 

　　3.2 使用总线锁保证原子性

　　第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写（i++就是经典的读改写操作）操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致，举个例子：如果i=1,我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2。如下图

 

 

原因是有可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加一操作，然后分别写入系统内存当中。那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。

　　处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK＃信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。

　　3.3 使用缓存锁保证原子性

　　第二个机制是通过缓存锁定保证原子性。在同一时刻我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，最近的处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。

　　频繁使用的内存会缓存在处理器的L1，L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在奔腾6和最近的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。所谓“缓存锁定”就是如果缓存在处理器缓存行中内存区域在LOCK操作期间被锁定，当它执行锁操作回写内存时，处理器不在总线上声言LOCK＃信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时会起缓存行无效，在例1中，当CPU1修改缓存行中的i时使用缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存了i的缓存行。

　　但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。第一种情况是：当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行（cache line），则处理器会调用总线锁定。第二种情况是：有些处理器不支持缓存锁定。对于Inter486和奔腾处理器,就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

　　以上两个机制我们可以通过Inter处理器提供了很多LOCK前缀的指令来实现。比如位测试和修改指令BTS，BTR，BTC，交换指令XADD，CMPXCHG和其他一些操作数和逻辑指令，比如ADD（加），OR（或）等，被这些指令操作的内存区域就会加锁，导致其他处理器不能同时访问它。