JUC技术篇(一)：Java并发编程的知识体系

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JUC-Java并发编程

一、逆向看待并发编程

为什么需要并发编程？

CPU与内存读写数据的速度是不同的，CPU的读写速度通常比内存快得多。这是因为CPU的寄存器和缓存通常都比内存更快，而且CPU可以利用多级缓存来加速数据访问。而内存的读写速度受到多种因素的制约，包括内存类型、内存带宽、内存容量等。

在计算机系统中，数据通常需要从内存中读取到CPU的寄存器或缓存中进行处理，然后再将结果写回内存中。这个过程中，如果CPU可以利用缓存来提高数据访问速度，那么整个处理过程会更快。另外，现代CPU还支持一些高级功能，如指令乱序执行、分支预测等，这些功能可以进一步提高CPU的处理效率。因此，尽管CPU和内存的读写速度不同，但在实际应用中，系统设计者通常会尽可能利用它们各自的优势，以达到最佳的性能表现。

以下内容来自@Pdai，下段文字著作权归@pdai所有
CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的
为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为:
CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；从而间接导致了 可见性 的问题
操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；导致了 原子性 的问题
编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。导致了 有序性 的问题

线程不安全示例

如果多个线程对同一个共享数据进行访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。

以下代码演示了 1000 个线程同时对 cnt 执行自增操作，操作结束之后它的值有可能小于 1000。

# 并发出现问题的根源: 并发三要素

上述代码输出为什么不是1000? 并发出现问题的根源是什么?

# 可见性: CPU缓存引起

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

举个简单的例子，看下面这段代码：

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

# 原子性: 分时复用引起

原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

举个简单的例子，看下面这段代码：

这里需要注意的是：i += 1需要三条 CPU 指令

将变量 i 从内存读取到 CPU寄存器；

在CPU寄存器中执行 i + 1 操作；

将最后的结果i写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

由于CPU分时复用（线程切换）的存在，线程1执行了第一条指令后，就切换到线程2执行，假如线程2执行了这三条指令后，再切换会线程1执行后续两条指令，将造成最后写到内存中的i值是2而不是3。

# 有序性: 重排序引起

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗? 不一定，为什么呢? 这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

上述的 1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）

所以，JAVA是怎么解决并发问题的: 请看下一篇：JMM(Java内存模型)剖析

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