反骨之硬件&软件为Java并发编程中挖的坑(可见性&原子性&有序性)

前言

本篇博文，主要集中并发编程的三个问题：可见性、原子性、有序性。

只讲理论，不谈如何解决。

说白了并发编程中的三个问题，就是先辈们给咱们这些后辈留下来的坑！

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那么，先辈们给并发编程带来什么坑？

相信大部分人都知道，一台计算机的组成包括但不限于：CPU、内存、显卡….

在这里, 笔者将计算机中的组抽象成几类，即：CPU、I/O设备、内存

有了以上三个分类，笔者接下来的文章就好写了。(滑稽)

• Cpu多核缓存带来的数据----可见性问题(硬件)：(建议直接跳到小节末尾, 看结论便可)

  讲道理，在处理速度方面CPU >> 内存 >> I/O设备。

  这时候, 为了充分发挥CPU的计算速度, 硬件方面则是在CPU和内存之间, 增长了一种叫高速缓存的技术。

  总而言之，高速缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾。

  固然, 在单核时代Cpu缓存并无出现数据一致性问题, 可是在多核时代就不同了。

  

  在多核处理器中，因为Cpu并不与内存直接打交道, 而是经过高速缓存。

  同理, 内存也是并不直接与Cpu打交道，也是经过高速缓存与Cpu打交道。

  • cpu <——> 高速缓存 <———> 内存

  缓存一致性问题以及解决方案，网上一搜一大堆，笔者在此就不作过多的叙述。

  因此，只须要记住结论便可:

  Cpu缓存不一致为并发编程带来----可见性问题。(结论)

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• 操做系统中进程&线程上下文切换给并发编程带来操做----原子性问题：

  在之前的印象中，说到原子性，笔者张口就是：原子操做是一个不可分割的总体, 该总体中的全部指令，要么所有执行, 要么所有不执行, 没有中间状态。在此，笔者所写的原子性概念，仿佛过于宽泛和缥缈。并且，原子性在不一样的使用场景，也有可能含义并不相同。

  接下来，咱们试着从数据库事务和并发编程两个方面来进行对比：

  在数据库中，原子性概念以下：

  • 事务被当作一个不可分割的总体，包含在其中的操做要么所有执行，要么所有不执行。且事务在执行过程当中若是发生错误，会被回滚到事务开始前的状态，就像这个事务没有执行同样。

  在并发编程中，原子性概念以下：

  • 第一种理解：一个线程或进程在执行过程当中，没有发生上下文切换。
    • 上下文切换：指CPU从一个进程/线程切换到另一个进程/线程(切换的前提就是获取CPU的使用权)。
  • 第二种理解：咱们把一个线程中的一个或多个操做(不可分割的总体)，在CPU执行过程当中不被中断的特性，称为原子性。(执行过程当中，一旦发生中断，就会发生上下文切换)

  从上文中能够看出，并发编程和数据库二者之间的原子性概念有些类似。

  都是强调，一个原子操做不能被打断！！

  因此，上下文切换给并发编程带来——原子性问题。(结论)

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• 编译器的编译优化给并发编程带来程序----有序性问题：

  讲道理，在计算机语言中，高级语言的运行都须要经过编译器转换成机器语言，经过机器语言在计算机上运行。

  那么，在编译器中为了提升运行速度，会对内存访问的有关操做（读&写）作一种优化，即指令的重排序。这种重排序在单线程环境下，不影响结果的正确性。可是，在多线程环境下可能会对结果的正确性产生影响。

  指令的重排序，是形成并发编程的有序性问题的缘由。

  编译器带来指令重排序，而指令重排序形成有序性问题。

  编译器优化—带来—> 指令重排序—带来—>有序性问题

  因此，编译器的优化给并发编程带来—有序性问题！

总结

• 多核Cpu的高速缓存为并发编程带来—可见性问题。
• 线程的切换给并发编程带来—原子性问题。
• 编译器给并发编程带来—有序性问题
• 不论是可见、原子仍是有序性，都是线程安全问题的表现形式。

最后，本篇博文，主要是对刚学习并发编程的朋友，提出并发编程的三个问题的概念。

说实话，笔者刚开始学的时候，并无想过想过原子、有序、可见性的形成缘由，直接通通死记硬背！

有时候想一想，以为本身挺好笑的。

总之，读者们要记住，整个Java并发包的设计与实现，都是为了解决并发编程的可见、原子、有序三个问题。

接下来，笔者会尝试着写写，Java是如何解决可见性、原子性和有序性的….