Java并发编程(2)-并发原理

摘要

我们这一讲主要讲解基于volatile实现并发：可见性跟有序性问题，讲解volatile的时候，需要讲解：cpu缓存模型 -> java内存模型 -> 并发编程3大特性：原子性、可见性、有序性 -> volatile的作用 -> volatile的底层原理 -> volatile实战。

思维导图

内容

cpu多级缓存模型

1.volatile引入

我们先看下以下例子:

public class VolatileTest {
     static int flag = 0;
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 1、开启一个读线程，读取flag的值
         */
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
              int localFlag = flag;
              while (true){
                 if(localFlag != flag){
                      System.out.println("读取到的标识位值："+flag);
                      localFlag = flag;
                  }
                  try {
                      TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                  } catch (Exception e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
              }
            }
        }.start();
        /**
         * 2、开启一个读写线程，修改flag值
         */
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                int localFlag = flag;
                while (true){
                    System.out.println("标识位被修改了："+ ++localFlag);
                    flag = localFlag;
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

结果输出为:

通过以上我们发现:
1、上面代码实例中:flag是静态成员变量，存在与方法区；此方法区里面的资源是线程共享的资源，线程共享资源在多线程数据读取跟修改时候，会出现线程安全问题。而localFlag是方法栈里面的变量是线程私有的数据。每次是把堆里面的数据读取出来赋值给栈里面的数据。
2、共享数据在多线程读写时候，会出现线程不一致性问题；读线程不能够准确读取到写线程修改的数值。
3、在实际的系统运行过程中，可能会产生一个问题，就是说，Thread1修改变量的值，他修改了这个变量的值，结果呢，发现Thread2在他修改变量值之后，没那么快能感知到flag数值的变化。Thread1，已经将flag设置好了；但是Thread2，比如说在一段时间范围内，还是读到了旧的flag，在一小段时间范围内，可能Thread2会感知不到Thread1对flag的值修改，他读到的可能还是flag的这么一个旧的值。

我们将变量加上volatile修饰

 static volatile int flag = 0;

输出结果如下:

我们发现加上volatile之后,每次读线程都能够准确获取到volatile修饰的数据。

并发编程中：你只要开了多个线程，一定会有一些这种问题，某个线程修改一个变量值，其他线程要立刻感知到这个变量值的变化，但是如果你不用volatile，会有问题：有线程修改了一个变量的值，结果其他的线程感知不到这个变量值的修改

volatile：并发编程中，一个线程修改了某个共享变量值，其他线程会立刻感知到这个变量值的变化。volatile只是保证数据可见性，有些人说他是一个轻量级锁，其实是打错特错的。

2.cpu多节缓存模型

理想中的cpu模型:

假如我们的cpu内存模型如上：第二个cpu进行数据的读写，第一个cpu进行数据读取，每次第二个cpu会先从主存读取数据，然后进行写操作，将不会存在数据不一致问题，因为主内存里面的数据都是最终的数据。每次cpu1都是读取的主内存里面数据。每次读取时候，只要主内存里面数据更改了，cpu1就能够读取到最新的值。

现代计算机cpu内存模型由于:内存的读取速度跟不上cpu的处理速度。所以引出了；内存的读写速度没什么突破，cpu如果要频繁的读写主内存的话，会导致性能较差，计算性能就会低。所以引出了:cpu多级缓存模型：

1、现在计算机为了平衡主内存跟cpu处理速度协调问题，在其之间增加了多级cpu缓存。
2、cpu可以直接操作自己对应的cpu缓存，不需要直接频繁的跟主内存通信，这个是现代计算机技术的一个进步，这样可以保证cpu的计算的效率非常的高。
3、这样的cpu多级缓存模型将会导致主内存里面的实时数据在其他cpu线程里面读取不到，会有一个延迟。

cpu多级缓存导致数据不一致问题的分析。

3.总线加锁机制和MESI缓存一致性原理

早期数据不一致问题使用总线加锁机制保证。
总线加锁机制:
原理: 某个线程修改主内存里面共享数据的时候，会通过一个总线，将共享数据加锁，然后这个线程执行完相应操作之后才会释放锁。
问题： 效率低下:总线加锁机制使得多线程串行化执行，多线程下效率低下。

目前比较常用的是缓存一致性原理：MESI
MESI缓存一致性原理：
原理： 强制刷新主内存+cpu嗅探机制:某一个线程修改某一个数值时候,会将此数值强制刷新到主内存，然后使用cpu的嗅探机制发布一个修改数据的事件，然后其他线程嗅探到此数据被修改，然后使本地cpu缓存数据过期，然后把从主内存里面重新加载。
底层原理: lock前缀指令+内存屏障