並發編程中的三個關鍵字【原子性、可見性、有序性】

• 2019 年 10 月 8 日
• 筆記

並發問題是絕大部分的程序員頭疼的問題，但仍需面對。因此，將需要的原理進行拆分解讀，會讓其變得易讀一些。共勉~ —— 23號老闆

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高速緩存

在計算機在執行程序時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程中，勢必涉及到數據的讀取和寫入。由於程序運行過程中的臨時數據是存放在主存（物理內存）當中的，這時就存在一個問題，由於CPU執行速度很快，而從內存讀取數據和向內存寫入數據的過程跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候對數據的操作都要通過和內存的交互來進行，會大大降低指令執行的速度。因此在CPU裏面就有了高速緩存。

也就是，當程序在運行過程中，會將運算需要的數據從主存複製一份到CPU的高速緩存當中，那麼CPU進行計算時就可以直接從它的高速緩存讀取數據和向其中寫入數據，當運算結束之後，再將高速緩存中的數據刷新到主存當中。

例如 i = i + 1；

當線程執行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，然後複製一份到高速緩存當中，然後CPU執行指令對i進行加1操作，然後將數據寫入高速緩存，最後將高速緩存中i最新的值刷新到主存當中。

這個代碼在單線程中運行是沒有任何問題的，但是在多線程中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運行於不同的CPU中，因此每個線程運行時有自己的高速緩存（對單核CPU來說，其實也會出現這種問題，只不過是以線程調度的形式來分別執行的）。本文我們以多核CPU為例。

比如同時有2個線程執行這段代碼，假如初始時i的值為0，那麼我們希望兩個線程執行完之後i的值變為2。但是事實會是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當中，然後線程1進行加1操作，然後把i的最新值1寫入到內存。此時線程2的高速緩存當中i的值還是0，進行加1操作之後，i的值為1，然後線程2把i的值寫入內存。

最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量為共享變量。

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緩存一致性問題

也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時才會出現），那麼就可能存在緩存不一致的問題。

為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：

　1）通過在總線加LOCK#鎖的方式

　2）通過緩存一致性協議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

在早期的CPU當中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。因為CPU和其他部件進行通信都是通過總線來進行的，如果對總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如內存），從而使得只能有一個CPU能使用這個變量的內存。比如上面例子中 如果一個線程在執行 i = i +1，如果在執行這段代碼的過程中，在總線上發出了LCOK#鎖的信號，那麼只有等待這段代碼完全執行完畢之後，其他CPU才能從變量i所在的內存讀取變量，然後進行相應的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。

但是上面的方式會有一個問題，由於在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內存，導致效率低下。

所以就出現了緩存一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數據時，如果發現操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變量時，發現自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那麼它就會從內存重新讀取。

在並發編程中，我們通常會遇到三個常見的關鍵字：

1、原子性

即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

2、可見性

指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

3、一致性。

即程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。

* 對於一致性的問題，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先後順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。這就涉及到所謂的指令重排序問題。

處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

指令重排序不會影響單個線程的執行，但是會影響到線程並發執行的正確性。

也就是說，要想並發程序正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程序運行不正確。

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Java內存模型

在Java虛擬機規範中試圖定義一種Java內存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個硬件平台和操作系統的內存訪問差異，以實現讓Java程序在各種平台下都能達到一致的內存訪問效果。

Java內存模型規定所有的變量都是存在主存當中（類似於前面說的物理內存），每個線程都有自己的工作內存（類似於前面的高速緩存）。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接對主存進行操作。並且每個線程不能訪問其他線程的工作內存。

舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

i = 10;

執行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

那麼Java語言本身對原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

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小結

今天時間不多，還請大家見諒~

下一篇繼續。未完待續……

文章內容參考至Matrix海子，在此鳴謝。

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html