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前言

我們?cè)谡夜ぷ鲿r(shí)，經(jīng)常在招聘信息上看到有這么一條:要求多線(xiàn)程并發(fā)經(jīng)驗(yàn)。無(wú)論是初級(jí)程序員，中級(jí)程序員，高級(jí)程序員，也無(wú)論是大廠(chǎng)，小廠(chǎng)，并發(fā)編程肯定是少不了的。

但是網(wǎng)上很多博文直接上來(lái)就講JUC，沒(méi)有從基礎(chǔ)出發(fā)，所以該篇旨在講明并發(fā)基礎(chǔ)，主要為計(jì)算機(jī)原理，線(xiàn)程常見(jiàn)方法，Java虛擬機(jī)方法的知識(shí)，為后面的學(xué)習(xí)保駕護(hù)航，話(huà)不多說(shuō)，開(kāi)始吧。

緩存一致性——MESI協(xié)議

CPU多級(jí)緩存官方概念

CPU在摩爾定律的指導(dǎo)下以每18個(gè)月翻一番的速度在發(fā)展，然而內(nèi)存和硬盤(pán)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及CPU，所以才引入了緩存的概念。我們可以從下圖看出在CPU和主內(nèi)存之間加了一個(gè)緩存，用來(lái)提升交互速度。

隨著CPU的速率越來(lái)越快，人們對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的緩存已經(jīng)滿(mǎn)足不了，所以引入了多級(jí)緩存，包括一級(jí)緩存，二級(jí)緩存，三級(jí)緩存，具體如圖所示。

一級(jí)緩存：基本上都是內(nèi)置在cpu內(nèi)部，和cpu一個(gè)速度運(yùn)行，能有效的提升cpu的工作效率。當(dāng)然數(shù)量越多，cpu工作效率就會(huì)越高，但是由于cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制了其大小，所以一級(jí)緩存的數(shù)據(jù)并不大。

二級(jí)緩存：主要作用是協(xié)調(diào)一級(jí)緩存和內(nèi)存之間的工作效率。cpu首先用的是一級(jí)內(nèi)存，當(dāng)cpu的速度慢慢提升之后，一級(jí)緩存就不夠cpu的使用量了，這就需要用到二級(jí)內(nèi)存。

三級(jí)緩存：和一級(jí)緩存與二級(jí)緩存的關(guān)系差不多，是為了在讀取二級(jí)緩存不夠用的時(shí)候而設(shè)計(jì)的一種緩存手段，在有三級(jí)緩存cpu之中，只有大約百分之五的數(shù)據(jù)需要在內(nèi)存中調(diào)取使用，這能提升cpu不少的效率，從而cpu能夠高速的工作。

我們可以看下本機(jī)的緩存情況。

CPU多級(jí)緩存白話(huà)翻譯

只有一級(jí)緩存情況：

我們可以將CPU當(dāng)做我們本人，緩存區(qū)當(dāng)做超市，主內(nèi)存當(dāng)做工廠(chǎng)，如果想要買(mǎi)東西(取數(shù)據(jù))就先去超市(緩存區(qū))買(mǎi)(取)，如果超市(緩存區(qū))沒(méi)有，就去工廠(chǎng)(主內(nèi)存)里面買(mǎi)(取)。

多級(jí)緩存情況：

我們可以將CPU當(dāng)做本人，一級(jí)緩存當(dāng)做樓下小區(qū)里面的小賣(mài)部，二級(jí)緩存當(dāng)做普通超市，三級(jí)緩存當(dāng)做大型超市，主內(nèi)存當(dāng)做工廠(chǎng)，如果想買(mǎi)東西先去樓下小賣(mài)部(一級(jí)緩存)，小賣(mài)部(一級(jí)緩存)沒(méi)有的話(huà)，就去普通超市(二級(jí)緩存)，如果普通超市(二級(jí)緩存)還沒(méi)有，就去大型超市(三級(jí)緩存)，如果大型超市(三級(jí)緩存)還沒(méi)有，就直接去工廠(chǎng)(主內(nèi)存)取。這些緩存的出現(xiàn)使得我們不必每次都去工廠(chǎng)(主內(nèi)存)買(mǎi)東西(取數(shù)據(jù))，節(jié)省了時(shí)間，提升了速度。

為什么需要CPU緩存

CPU速率太快，快到內(nèi)存跟不上，在處理器處理周期內(nèi)，CPU常常等待內(nèi)存，造成資源的浪費(fèi)。

緩存的意義

時(shí)間局限性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪(fǎng)問(wèn)，在將來(lái)的某個(gè)時(shí)間也可能被訪(fǎng)問(wèn)。(白話(huà)翻譯就是如果我今天買(mǎi)了薯片，那么以后我可能還會(huì)買(mǎi)薯片，畢竟是吃貨O(∩_∩)O)

空間局限性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪(fǎng)問(wèn)，那么他相鄰的數(shù)據(jù)也有可能被訪(fǎng)問(wèn)。(白話(huà)翻譯就是如果我今天買(mǎi)了薯片，那么我可以還會(huì)買(mǎi)其他膨化食品，畢竟他們兩挨在一起)

帶來(lái)的問(wèn)題

對(duì)于多核系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 每個(gè)核中緩存數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

解決方式一——總線(xiàn)加鎖(性能太低)

CPU從主內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到緩存區(qū)，并在總線(xiàn)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，其他CPU無(wú)法去讀寫(xiě)這個(gè)數(shù)據(jù)，直到這個(gè)CPU使用完數(shù)據(jù)，鎖被釋放了才訪(fǎng)問(wèn)。就比如我想去超市買(mǎi)一個(gè)辣條，但是張三也想買(mǎi)，在我買(mǎi)的過(guò)程中，就給辣條加了鎖，張三根本碰不到辣條，我買(mǎi)的過(guò)程非常慢，那張三不急死啦嘛。

解決方式二——MESI協(xié)議(重點(diǎn))

針對(duì)上面緩存數(shù)據(jù)不一致的情況，提出了MESI協(xié)議用以保證多個(gè)CPU緩存中共享數(shù)據(jù)的一致性，定義了緩存行Cache Line四個(gè)狀態(tài)，分表是M(Modified)，E(Exclusive)，S(Share)，I(Invalid)四種。

• M(Modified修改)：該行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)被修改了，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只能存在于本緩沖區(qū)中。
• E(Exclusive獨(dú)占)：這行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中。
• S(Shared共享)：這行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)存在于很多Cache中。
• I(Invalid無(wú)效)：這行數(shù)據(jù)無(wú)效

MESI狀態(tài)之間的遷移：

這圖一看是很懵逼的，咱慢慢來(lái)看哈，慢慢體會(huì)這些變化哈。

當(dāng)前狀態(tài)是Modified

• 內(nèi)核讀取本地緩存中的值(local read)：從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變，還是修改M
• 本地內(nèi)核寫(xiě)本地緩存中的值(local write)：從緩存區(qū)中修改數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變，還是修改M
• 其它內(nèi)核讀取其他緩存中的值(remote read)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取到最新數(shù)據(jù)，即為共享S
• 其它內(nèi)核更改其他緩存中的值(remote write)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取到最新數(shù)據(jù)，并修改和提交，此緩存區(qū)的狀態(tài)為無(wú)效I

當(dāng)前狀態(tài)是Exclusive

• 內(nèi)核讀取本地緩存中的值(local read)：從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變，還是獨(dú)占E
• 本地內(nèi)核寫(xiě)本地緩存中的值(local write)：從緩存區(qū)中修改數(shù)據(jù)，即為修改M
• 其它內(nèi)核讀取其他緩存中的值(remote read)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取到數(shù)據(jù)，即為共享S
• 其它內(nèi)核更改其他緩存中的值(remote write)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取到數(shù)據(jù)，并修改提交，即為無(wú)效I

當(dāng)前狀態(tài)是Share

• 內(nèi)核讀取本地緩存中的值(local read)：從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變，還是共享S
• 本地內(nèi)核寫(xiě)本地緩存中的值(local write)：在緩存區(qū)中修改數(shù)據(jù)，即為修改M
• 其它內(nèi)核讀取其他緩存中的值(remote read)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，即為共享S
• 其它內(nèi)核更改其他緩存中的值(remote write)：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存，其他內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，并修改提交，即為無(wú)效I

當(dāng)前狀態(tài)是Invalid

• 內(nèi)核讀取本地緩存中的值(local read)：如果其他緩存里面沒(méi)有這個(gè)值，狀態(tài)即為獨(dú)享E;如果其他緩存里有這個(gè)值，狀態(tài)即為共享S
• 本地內(nèi)核寫(xiě)本地緩存中的值(local write)：在緩存區(qū)中修改數(shù)據(jù)，即為修改M
• 其它內(nèi)核讀取其他緩存中的值(remote read)：其他核的操作與他無(wú)關(guān)，即為無(wú)效I
• 其它內(nèi)核更改其他緩存中的值(remote write)：其他核的操作與他無(wú)關(guān)，即為無(wú)效I

并行和并發(fā)的區(qū)別

并發(fā)：同一時(shí)刻只能有一個(gè)指令執(zhí)行，但多個(gè)指令被CPU輪換執(zhí)行，因?yàn)闀r(shí)間間隔很短，會(huì)造成同時(shí)執(zhí)行的錯(cuò)覺(jué)。

并行：同一時(shí)刻多條指令在多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行，不管是微觀(guān)，還是宏觀(guān)上，都是同時(shí)執(zhí)行的。

舉個(gè)例子，并發(fā)就是一個(gè)家庭主婦既要燒飯，也要帶娃，也要打掃房間，如果每個(gè)事情只做一分鐘，然后輪換，從宏觀(guān)上來(lái)說(shuō)，會(huì)造成同時(shí)執(zhí)行的錯(cuò)覺(jué)。并行就是該家庭主婦請(qǐng)了兩個(gè)保姆，一個(gè)專(zhuān)職負(fù)責(zé)燒飯，一個(gè)專(zhuān)職負(fù)責(zé)帶娃，自己專(zhuān)職負(fù)責(zé)打掃衛(wèi)生，不管從宏觀(guān)還是微觀(guān)上來(lái)看，他們都是同時(shí)執(zhí)行的。

某位大佬曾經(jīng)說(shuō)兩者的區(qū)別，并發(fā)是同一時(shí)間應(yīng)對(duì)多件事情的能力，并行是同一時(shí)間去做多件事情的能力。作為一個(gè)工科生，不知道如何夸大佬，只知道喊666。

進(jìn)程和線(xiàn)程的關(guān)系

進(jìn)程是用來(lái)加載指令，管理內(nèi)存，執(zhí)行語(yǔ)句的。

線(xiàn)程是進(jìn)程的一部分，一個(gè)進(jìn)程可以分為1個(gè)或多個(gè)線(xiàn)程。

網(wǎng)易云音樂(lè)的打開(kāi)，就是開(kāi)啟了一個(gè)進(jìn)程，而播放，查找，評(píng)論等都是線(xiàn)程。

線(xiàn)程之間的通信

線(xiàn)程之間的通信比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)他們的共享內(nèi)存通信，具體可以看下面Java內(nèi)存模式部分。

進(jìn)程之間的通信

進(jìn)程之間的通信比較復(fù)雜，對(duì)于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)而言，其通信稱(chēng)為IPC;對(duì)于不同計(jì)算機(jī)，其通信需要網(wǎng)絡(luò)并遵循彼此約定的協(xié)議，如HTTP等。這部分偏硬件，咱也不敢說(shuō)，咱也不敢問(wèn)。

線(xiàn)程的狀態(tài)(從硬件層面)

初始狀態(tài)：新建new一個(gè)線(xiàn)程，還沒(méi)有進(jìn)行任何步驟，還未和硬件關(guān)聯(lián)上。

可運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)調(diào)用start方法，即進(jìn)行可運(yùn)行狀態(tài)(就緒狀態(tài))，但是這個(gè)時(shí)候還沒(méi)獲取到時(shí)間片，具體什么時(shí)候運(yùn)行取決于硬件。

運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)CPU分配的時(shí)間片到某個(gè)線(xiàn)程了，該線(xiàn)程即可進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

阻塞狀態(tài)：當(dāng)線(xiàn)程調(diào)用阻塞API，線(xiàn)程并沒(méi)有用到CPU，其進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

終止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程運(yùn)行結(jié)束了，即進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。

一些常見(jiàn)的線(xiàn)程操作

創(chuàng)建線(xiàn)程的三種方式

線(xiàn)程和任務(wù)合并

Thread thread=new Thread(){       
 public void run(){       
     System.out.println("開(kāi)始");   
 }  
}; 

線(xiàn)程和任務(wù)分開(kāi)

 Runnable runnable=new Runnable() {        
      @Override            
      public void run() {       
         System.out.println("開(kāi)始");            
      }        
};  
Thread thread=new Thread(runnable); 

FutureTask返回執(zhí)行結(jié)果

FutureTask<String> futureTask=new FutureTask<String>(new Callable<String>() {           
   @Override      
        public String call() throws Exception {     
             return "線(xiàn)程的返回值";       
    }         
});  
Thread thread=new Thread(futureTask); 

線(xiàn)程啟動(dòng)start

thread.start(); 

這里start是進(jìn)入就緒狀態(tài)，即可運(yùn)行狀態(tài)，具體什么時(shí)候要看CPU。

等待線(xiàn)程運(yùn)行結(jié)束join

未加join情況：

 Runnable runnable=new Runnable() {             
 @Override            
  public void run() {   
        System.out.println("線(xiàn)程開(kāi)始");       
        try {         
             sleep(4000L);            
        } catch (InterruptedException e) {    
             e.printStackTrace();               
        }           
         System.out.println("線(xiàn)程結(jié)束");     
     }     
 };  
//創(chuàng)建線(xiàn)程  
Thread thread=new Thread(runnable);  
//啟動(dòng)線(xiàn)程 
 System.out.println("主線(xiàn)程開(kāi)始"); 
 thread.start(); 
 System.out.println("主線(xiàn)程結(jié)束"); 

運(yùn)行結(jié)果：

使用join的情況：

Runnable runnable=new Runnable() {         
@Override   
 public void run() {    
        System.out.println("線(xiàn)程開(kāi)始");     
        try {         
             sleep(4000L);         
        } catch (InterruptedException e) {   
              e.printStackTrace();      
        }       
        System.out.println("線(xiàn)程結(jié)束");        
  }  
};  
 //創(chuàng)建線(xiàn)程    
hread thread=new Thread(runnable);   
//啟動(dòng)線(xiàn)程   
System.out.println("主線(xiàn)程開(kāi)始");   
thread.start();   
thread.join();   
System.out.println("主線(xiàn)程結(jié)束"); 

運(yùn)行結(jié)果：

沒(méi)有用join方法的第一情況，主線(xiàn)程開(kāi)始和主線(xiàn)程結(jié)束都在前面，并靠在一起，而線(xiàn)程開(kāi)始和線(xiàn)程結(jié)束則在后面，因?yàn)樗麄兪莾蓚€(gè)不同的線(xiàn)程，彼此互不干擾。而用了join方法的第二種情況，主線(xiàn)程結(jié)束在最后一行，因?yàn)閖oin方法需要等待子線(xiàn)程結(jié)束后才能繼續(xù)執(zhí)行后面代碼。

獲取線(xiàn)程id，name，priority

 //創(chuàng)建線(xiàn)程  Thread thread=new Thread(){       
  public void run(){      
       System.out.println("線(xiàn)程開(kāi)始");      
   } 
};   
//啟動(dòng)線(xiàn)程  
thread.start();   
System.out.println("id："+thread.getId());   
System.out.println("name："+thread.getName());   
System.out.println("priority："+thread.getPriority()); 

運(yùn)行結(jié)果：

Java內(nèi)存模型——JMM

內(nèi)存模型

跟多級(jí)緩存差不多意思，每個(gè)線(xiàn)程里面都有工作內(nèi)存，其存儲(chǔ)的是主內(nèi)存中數(shù)據(jù)的副本，如下圖。那如果主內(nèi)存中有變量a=1，現(xiàn)在線(xiàn)程A,B,C都存了a=1的副本，線(xiàn)程A對(duì)其進(jìn)行加1操作，并刷新到主內(nèi)存。可是線(xiàn)程B，C并不知道這種情況，那么就出問(wèn)題啦。那如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?下面將慢慢說(shuō)，不急。

8種原子操作(概念)

下面羅列的是8種原子操作，大家大概看看，下面將詳細(xì)描述。

• read(讀取)：從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)
• load(載入)：將主內(nèi)存讀取到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入工作內(nèi)存
• user(使用)：從工作內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算
• assign(賦值)：將計(jì)算好的值重新賦值到工作內(nèi)存中
• store(存儲(chǔ))：將工作內(nèi)存數(shù)據(jù)寫(xiě)入主內(nèi)存
• write(寫(xiě)入)：將store過(guò)去的變量值賦值給主內(nèi)存中的變量
• lock(鎖定)：將主內(nèi)存變量加鎖，標(biāo)識(shí)為線(xiàn)程獨(dú)占狀態(tài)
• unlock(解鎖)：將主內(nèi)存變量解鎖，解鎖后其他線(xiàn)程可以鎖定該變量

8種原子操作(舉例)

咱以上面的例子畫(huà)了個(gè)圖，請(qǐng)?jiān)徟嘉冶浚?huà)的丑了點(diǎn)。

1.read讀取：將主內(nèi)存中的a=1讀取出來(lái)。

2.load載入：將從主內(nèi)存中a=1載入到線(xiàn)程A的工作內(nèi)存中。

3.use使用：將線(xiàn)程A工作內(nèi)存的a=1讀取到，并進(jìn)行自增操作。

4.assign賦值：將a=2寫(xiě)入到線(xiàn)程A的工作內(nèi)存中。

5.store存儲(chǔ)：將a=2存儲(chǔ)到主內(nèi)存中。

6.write寫(xiě)入：將a=2寫(xiě)入到主內(nèi)存的a變量中。

7.lock鎖定：在上面CPU緩存解決不一致的方法一中，線(xiàn)程A操作的時(shí)候，對(duì)主內(nèi)存a變量進(jìn)行加鎖操作(lock)，線(xiàn)程B根本讀不了a變量。

8.unlock解鎖：線(xiàn)程A操作解鎖之后，對(duì)主內(nèi)存a變量進(jìn)行解鎖操作(unlock)，線(xiàn)程B可以讀到a變量并對(duì)其操作。

注意：lock和unlock存在著一個(gè)性能問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)寫(xiě)的代碼明明是多線(xiàn)程并發(fā)操作，但是底層還是串行化，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)并發(fā)。

可見(jiàn)性原理

上面說(shuō)的MESI協(xié)議是在總線(xiàn)那邊實(shí)踐的，線(xiàn)程A，B可以同時(shí)獲取主內(nèi)存a的值，a進(jìn)行自增操作之后在進(jìn)行操作6write寫(xiě)入的時(shí)候，會(huì)經(jīng)過(guò)總線(xiàn)。線(xiàn)程B一直使用嗅探監(jiān)控總線(xiàn)中自己感興趣的變量a，一旦發(fā)現(xiàn)a值有修改，立刻將自己工作內(nèi)存中a置為無(wú)效Invalid(利用MESI協(xié)議)，并立刻從主內(nèi)存中讀取a值，這個(gè)時(shí)候總線(xiàn)中a還沒(méi)有寫(xiě)入內(nèi)存，所以有個(gè)短暫的lock過(guò)程，等到a寫(xiě)入內(nèi)存了，進(jìn)行unlock操作，線(xiàn)程B即可讀取新的a值。

該過(guò)程雖然也有l(wèi)ock與unlock操作，但是鎖的粒度降低啦。

并發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)與優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)：

• 速度方面：同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求，響應(yīng)更快，復(fù)雜的操作可以分成多個(gè)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)行。
• 設(shè)計(jì)方面：程序設(shè)計(jì)在某些情況下更簡(jiǎn)單，也可以有更多的選擇。
• 資源利用方面：CPU能夠在等待IO的時(shí)候做一些其他的事情。

風(fēng)險(xiǎn):

• 安全性方面：多個(gè)線(xiàn)程共享數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生與期望不相符的結(jié)果。
• 活躍性方面：某個(gè)操作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去時(shí)，就會(huì)發(fā)生活躍性問(wèn)題，比如死鎖，節(jié)等問(wèn)題。
• 性能方面：線(xiàn)程過(guò)多時(shí)會(huì)使得：CPU頻繁切換，調(diào)度時(shí)間增多;同步機(jī)制;消耗過(guò)多內(nèi)存。

結(jié)語(yǔ)

看到這里的都是真愛(ài)，先行謝過(guò)。此篇是并發(fā)系列的基礎(chǔ)，主要聊了硬件的MESI協(xié)議，原子的八種操作，線(xiàn)程和進(jìn)程的關(guān)系，線(xiàn)程的一些基礎(chǔ)操作，JMM的基礎(chǔ)等。