并发基础：Java内存模型
本文目录
一.现代计算机的并发问题描述
1.什么是并发？
简单来说，并发就是多个线程“同时”运行。 假设一个程序中有多个线程，如果程序在单核处理器上运行，那么多个线程将交替地换入或者换出内存，每个线程都处于执行过程中地某个状态。如果运行在多核处理器上，此时，程序中的每个线程都将分配到一个处理器核中，因此可以同时运行。
2.什么是高并发？
高并发（High Concurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常指通过设计保证系统能够 同时并行处理多个请求 。
3.并发存在的风险
现代的多CPU计算机已经普及，也就意味着有多Cache，并发时也就意味着存在着一定的风险：
现在我们要让计算机计算1+1-1的操作，计算机进行多核并发运算：
上面的计算可能会被分解成两个任务：对原始内存中1的加一操作和减一操作，如果这两个任务没有定义执行顺序，那么可能会发生下面的事情：
两个CPU同时从主存中读到同一个数据1存到各自的缓存中，然后各自对对它进行操作，CPU1将其加1结果2存到主存中，另一个CPU2将其减一结果0存到主存中，那么结果就可能变为 ：如果是CPU1的存入执行先于2，那么最后结果为0，反之结果为2，它们都不是正确的结果，我们要的正确结果为1
这就是并发所带来的风险：影响结果的正确性，而结果的正确性在生产环境中是极为重要的！！！
对于CPU多缓存的并发数据安全问题，诞生了MESI协议，该协议用于保证多个CPU 缓存之间共享数据的一致性。
二.Java内存模型（JMM）
1.什么是JMM?
JMM规范了计算机内存与JVM如何协同工作的，它规定了一个线程如何和何时可以看到其他线程修改后的共享变量，以及如何同步的访问共享变量。
2.JMM主要分区
Heap区：主要对应于计算机的主存，存取速度慢，主要存放对象，静态成员变量。
Stack区：主要对应于计算机的缓存和cpu寄存器，存取速度快，存放基本类型变量，本地变量。
3.JMM规范
1）八种同步操作
lock, read, load ,use assign, store, write ,unlock
2）八种操作的同步规则
1.如果要把一个变量从主存中复制到工作内存中，就需要按顺序地执行read和load操作，反之，如果要把变量从工作内存中同步回主存中就要按顺序的执行store和write操作。（JMM只要求按顺序执行，没有规定必须连续，它们之间允许存在其他操作）
2.read和load，store和write必须成对出现
3.不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，换句话说就是变量如果在工作内存中改变后必须同步到主存中
4.不允许一个线程没有原因的把数据从工作内存同步回主存中
5.新的变量只能在主存中产生，不允许工作内存中直接使用一个未load的变量
6.一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被一条线程重复执行多次，且lock和unlock必须成对
7.对一个主存中变量执行lock操作，JMM将会清空工作内存中此变量的此前的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load操作初始化变量的值
8.如果一个变量事先没有被lock锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量
9.对一个变量进行unlock操作执行，必须先把此变量同步到主存中
JMM从相对于底层的层面保证了数据安全。
三.CPU多级缓存
1.为什么需要CPU cache?
因为CPU的频率太快了，快到主存跟不上，这样在处理器时钟周期内，CPU常常需要等待主存，浪费资源。 所以cache的出现，是为了缓解CPU和内存之间速度不匹配的问题。（注意：是缓解，并不是解决了）
2.带有高速缓存的CPU执行计算的流程如下
1）程序以及数据被加载到主存
2）指令和数据被加载到CPU的高速缓存
3）CPU从高速缓存中得到数据执行指令，并把结果写到高速缓存中
4）高速缓存中的数据被写回主内存
3.CPU cache的意义
局部性原理：
1）时间局部性：如果某个数据被访问，那么在不久的将来，它很可能被再次访问。
2）空间局部性：如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据很快也可能被访问。
4.CPU多级缓存的缓存一致性协议（MESI）
它用于保证多个Cpu cache之间缓存共享数据的一致。
目前流行的多级缓存结构如下：
我们很容易知道，多个CPU的情况下会有多个一级缓存，那么如何保证缓存内部数据的一致而不让系统数据混乱， MESI就是解决这个问题的。
1）MESI的含义： 它分别是由这个协议中描述缓存行的四个状态的首字母组成
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| Modified(修改) | 该缓存行有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中 |
| Exclusive(独享) | 该缓存行有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中 |
| Shared(共享) | 该缓存行有效，数据和内存中的数据一致 ，数据被多个Cache共享 |
| Invalid(无效) | 该缓存行无效 |
2）MESI状态转换
触发事件：
| 触发事件 | 描述 |
|---|---|
| Local read | 本地cache读取本地cache数据 |
| Local write | 本地cache写入本地cache数据 |
| Remote read | 其他cache读取本地cache数据 |
| Remote write | 其他cache写入本地cache数据 |
下图示意了当一个缓存行调整状态的时候，另外一个缓存行需要调整的状态：
5.乱序执行优化
1）什么是乱序执行优化？
处理器为了提高计算速度而做出违背代码原有顺序的优化。
单核时代处理器的乱序执行优化不会使预期的目标偏离，但是在多核时代并不会这样，如果我们不做一些防护措施，最后得出的结果会和我们预期的结果大不相同。
四.并发的优势和风险
1.优势
1）速度：并发程序可以同时处理多个请求，响应速度更快，且一些复杂的操作可以分成多个进程同时进行。
2）设计：运用并发技术我们在设计程序的时候在某些请况下变得更简单，也可以有更多的选择。
3）资源利用：并发程序可以极大的提高资源利用率。（例如CPU能够在等待IO的时候做一些其他计算）
2.风险
1）安全性问题：当多个线程共享数据时可能会发生期望偏离的结果。
2）活跃性问题：活跃性问题指的是线程中某些操作无法执行下去了，比如：发生死锁。
3）性能问题：线程过多时会使CPU频繁切换，调度时间增加，降低性能，以及消耗过多内存资源。
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