之前的文章有提到過“高併發”的問題，那麼今天我們就來好好說說Java併發編程與高併發基礎概念吧~
併發與高併發基本概念
併發：同時擁有兩個或者多個線程，如果程序在單核處理器上運行，多個線程將交替地換入或者換出內存，這些線程是同時“存在”的，每個線程都處於執行過程中的某個狀態，如果運行在多核處理器上，此時，程序中的每個線程都將分配到一個處理器核上，因此可以同時運行。
高併發：高併發（High Concurrency）是互聯網分佈式系統架構設計中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設計保證系統能夠同時並行處理很多請求。
注:
併發：多個線程操作相同的資源，保證線程安全，合理使用資源
高併發：服務器能同時處理很多請求，提高程序性能
CPU多級緩存-緩存一致性
CPU多級緩存
為什麼需要CPU cache
CPU的頻率太快了，快到主存跟不上，這樣在處理器時鐘週期內，CPU常常需要等待主存，浪費資源。所以cache的出現，是為了緩解CPU和內存之間速度的不匹配問題（結構：CPU -> cache -> memory）。
CPU cache有什麼意義
時間局部性：如果某個數據被訪問，那麼在不久的將來它很可能被再次訪問；
空間局部性：如果某個數據被訪問，那麼與它相鄰的數據很快也可能被訪問。
緩存一致性（MESI）
用於保證多個CPU cache之間緩存共享數據的一致性
MESI協議中的狀態
- M——Modified 修改：指的是該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，並且是被修改過的，因此他與主存中的數據是不一致的，該緩存行中的數據需要在未來的某個時間點（允許其他CPU讀取主存相應中的內容之前）寫回主存，然後狀態變成E（獨享）
- E——Exclusive 獨享：指的是該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，是未被修改過的，與主存的數據是一致的，可以在任何時刻當有其他CPU讀取該內存時，變成S（共享）狀態，當CPU修改該緩存行的內容時，變成M（被修改）的狀態
- S——Share 共享：意味著該緩存行可能會被多個CPU進行緩存，並且該緩存中的數據與主存數據是一致的，當有一個CPU修改該緩存行時，其他CPU是可以被作廢的，變成I(無效的)
- I——Invalid 無效：代表這個緩存是無效的，可能是有其他CPU修改了該緩存行
- local read：讀本地緩存的數據
- local write：將數據寫到本地緩存裡面
- remote read：將內存中的數據讀取到緩存中來
- remote write：將緩存中的數據寫會到主存裡面
CPU多級緩存-亂序執行優化
處理器為提高運算速度而作出違背代碼原有順序的優化
JAVA內存模型
Java 內存模型
- Heap(堆)：java裡的堆是一個運行時的數據區，堆是由垃圾回收來負責的，堆的優勢是可以動態的分配內存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因為他是在運行時動態分配內存的，java的垃圾回收器會定時收走不用的數據，缺點是由於要在運行時動態分配，所以存取速度可能會慢一些。
- Stack(棧)：棧的優勢是存取速度比堆要快，僅次於計算機裡的寄存器，棧的數據是可以共享的，缺點是存在棧中的數據的大小與生存期必須是確定的，缺乏一些靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量，比如 int，short，long，byte，double，float，boolean，char，對象句柄。
java內存模型要求調用棧和本地內存變量存放在線程棧（Thread Stack）上，對象存放在堆上。一個本地變量可能存放一個對象的引用，這時引用變量存放在本地棧上，但是對象本身存放在堆上，成員變量跟隨著對象存放在堆上，而不管是原始類型還是引用類型，靜態成員變量跟隨著類的定義一起存在在堆上。存在堆上的對象，可以被持有這個對象的引用的線程訪問。如果兩個線程同時訪問同一個對象的私有變量，這時他們獲得的是這個對象的私有拷貝。
計算機硬件架構
JVM 與硬件內存架構的關聯
Java內存模型抽象結構
Java內存模型-同步八種操作
- lock（鎖定）：作用於主內存的變量，把一個變量標識為一條線程獨佔狀態
- unlock（解鎖）：作用於主內存的變量，把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才可以被其他線程鎖定
- read（讀取）：作用於主內存的變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨後的load動作使用
- load（載入）：作用於工作內存的變量，它把read操作從內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中
- use（使用）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量值傳遞給執行引擎
- assign（賦值）：作用於工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變量
- store（存儲）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨後的write的操作
- write（寫入）：作用於主內存的變量，它把store操作從工作內存中的一個變量的值傳送到主內存的變量中
Java內存模型-同步規則
- 如果要把一個變量從主內存中複製到工作內存，就需要按順序地執行read和load操作，如果把變量從工作內存中同步回主內存中，就要按順序地執行store和write操作。但Java內存模型只要求上述操作必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行
- 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現
- 不允許一個線程丟棄它的最近assign操作，即變量在工作內存中改變了之後必須同步到主內存中
- 不允許一個線程無原因地（沒有發生過任何assign操作）把數據從工作內存同步回主內存中
- 一個新的變量只能再主內存中誕生，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執行過了assign和load操作
- 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，但lock操作可以被同一條線程重複執行多次，多次執行lock後，只有執行相同次數的unlock操作，變量才會被解鎖。lock和unlock必須成對出現
- 如果對一個變量執行lock操作，將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前需要重新執行load或assign操作初始化變量的值
- 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量
- 對一個變量執行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內存中（執行store和write操作）
Java內存模型-同步操作與規則
併發的優勢與風險
優點
- 速度：同時處理多個請求，響應更快；複雜的操作可以分成多個進程同時進行
- 設計：程序設計在某些情況下更簡單，也可以有更多的選擇
- 資源利用：CPU能夠在等待IO的時候做一些其他的事情
缺點
- 安全性：多個線程共享數據時可能會產生於期望不相符的結果
- 活躍性：某個操作無法繼續進行下去時，就會發生活躍性問題，比如死鎖、飢餓等問題
- 性能：線程過多時會使得:CPU頻繁切換，調度時間增多，同步機制，消耗過多內存
今天我們的文章就到這了，小夥伴對於併發編程與高併發有沒有進一步的認識呢？如果你還有更多的疑問，歡迎在文章下方留言
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