反骨之硬件&軟件爲Java併發編程中挖的坑(可見性&原子性&有序性)

前言

本篇博文，主要集中併發編程的三個問題：可見性、原子性、有序性。

只講理論，不談如何解決。

說白了併發編程中的三個問題，就是先輩們給咱們這些後輩留下來的坑！

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那麼，先輩們給併發編程帶來什麼坑？

相信大部分人都知道，一臺計算機的組成包括但不限於：CPU、內存、顯卡….

在這裏, 筆者將計算機中的組抽象成幾類，即：CPU、I/O設備、內存

有了以上三個分類，筆者接下來的文章就好寫了。(滑稽)

• Cpu多核緩存帶來的數據----可見性問題(硬件)：(建議直接跳到小節末尾, 看結論便可)

  講道理，在處理速度方面CPU >> 內存 >> I/O設備。

  這時候, 爲了充分發揮CPU的計算速度, 硬件方面則是在CPU和內存之間, 增長了一種叫高速緩存的技術。

  總而言之，高速緩存的出現主要是爲了解決CPU運算速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾。

  固然, 在單核時代Cpu緩存並無出現數據一致性問題, 可是在多核時代就不同了。

  

  在多核處理器中，因爲Cpu並不與內存直接打交道, 而是經過高速緩存。

  同理, 內存也是並不直接與Cpu打交道，也是經過高速緩存與Cpu打交道。

  • cpu <——> 高速緩存 <———> 內存

  緩存一致性問題以及解決方案，網上一搜一大堆，筆者在此就不作過多的敘述。

  因此，只須要記住結論便可:

  Cpu緩存不一致爲併發編程帶來----可見性問題。(結論)

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• 操做系統中進程&線程上下文切換給併發編程帶來操做----原子性問題：

  在之前的印象中，說到原子性，筆者張口就是：原子操做是一個不可分割的總體, 該總體中的全部指令，要麼所有執行, 要麼所有不執行, 沒有中間狀態。在此，筆者所寫的原子性概念，彷彿過於寬泛和縹緲。並且，原子性在不一樣的使用場景，也有可能含義並不相同。

  接下來，咱們試着從數據庫事務和併發編程兩個方面來進行對比：

  在數據庫中，原子性概念以下：

  • 事務被當作一個不可分割的總體，包含在其中的操做要麼所有執行，要麼所有不執行。且事務在執行過程當中若是發生錯誤，會被回滾到事務開始前的狀態，就像這個事務沒有執行同樣。

  在併發編程中，原子性概念以下：

  • 第一種理解：一個線程或進程在執行過程當中，沒有發生上下文切換。
    • 上下文切換：指CPU從一個進程/線程切換到另一個進程/線程(切換的前提就是獲取CPU的使用權)。
  • 第二種理解：咱們把一個線程中的一個或多個操做(不可分割的總體)，在CPU執行過程當中不被中斷的特性，稱爲原子性。(執行過程當中，一旦發生中斷，就會發生上下文切換)

  從上文中能夠看出，併發編程和數據庫二者之間的原子性概念有些類似。

  都是強調，一個原子操做不能被打斷！！

  因此，上下文切換給併發編程帶來——原子性問題。(結論)

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• 編譯器的編譯優化給併發編程帶來程序----有序性問題：

  講道理，在計算機語言中，高級語言的運行都須要經過編譯器轉換成機器語言，經過機器語言在計算機上運行。

  那麼，在編譯器中爲了提升運行速度，會對內存訪問的有關操做（讀&寫）作一種優化，即指令的重排序。這種重排序在單線程環境下，不影響結果的正確性。可是，在多線程環境下可能會對結果的正確性產生影響。

  指令的重排序，是形成併發編程的有序性問題的緣由。

  編譯器帶來指令重排序，而指令重排序形成有序性問題。

  編譯器優化—帶來—> 指令重排序—帶來—>有序性問題

  因此，編譯器的優化給併發編程帶來—有序性問題！

總結

• 多核Cpu的高速緩存爲併發編程帶來—可見性問題。
• 線程的切換給併發編程帶來—原子性問題。
• 編譯器給併發編程帶來—有序性問題
• 不論是可見、原子仍是有序性，都是線程安全問題的表現形式。

最後，本篇博文，主要是對剛學習併發編程的朋友，提出併發編程的三個問題的概念。

說實話，筆者剛開始學的時候，並無想過想過原子、有序、可見性的形成緣由，直接通通死記硬背！

有時候想一想，以爲本身挺好笑的。

總之，讀者們要記住，整個Java併發包的設計與實現，都是爲了解決併發編程的可見、原子、有序三個問題。

接下來，筆者會嘗試着寫寫，Java是如何解決可見性、原子性和有序性的….