java并发 - 自底向上的原理分析

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事先声明，我只是java并发的新手，这篇文章也只是我阅读《java并发编程的艺术》一书（内容主要涉及前3章）的一些总结和感悟。希望大家能多多讨论，对于错误的地方还请指出。

0. 简介

    程序的世界是有层次分明的，每层都对外封装细节而提供一些方式或者说接口来提供功能，甚至是约束功能来换取正确性等等。那么接下来，就用分层的思想作为灵魂，各种内存模型作为骨架，来简单讨论Java并发的原理。

1. 处理器内存模型

    我们面对的第一个问题是，一个好的处理器要满足什么条件？就像考试的学生一样，当然是做得又快，对得又多。对于处理器来说一般要满足两个条件：
    1. 效率
    2. 正确性
    

1.1 效率

    对于效率来说，处理器提供了很多的机制来满足这一点，并行，指令流水线，指令重排，缓存机制等等。但这些方式必须加以限制来保证正确性，或者说效率和正确性在一定程度上是相互制约的，我们必须加以权衡，合理折中。
    

1.2 正确性

    那么怎么保证正确性呢？同样除了处理器的一些内部的机制，比如禁止某些指令重排，缓存一致性，总线锁，缓存锁定等等，同时还向其上层提供了好的方法，比如说内存屏障，CAS等等，这些方法、机制会让上层（通过合理的方式）更好的来保证程序的正确性，就像Java会提供volatile，synchronized等等方式来让程序员（通过合理的方式）调用保证程序的线程安全。
    让我们更加深入这个话题，一个程序怎么样才叫正确？要满足什么性质？简单来说，有三条性质：
    1. 原子性，就是要么全部做要么全不做，需要硬件的配合，比如CAS。
    2. 可见性，由于缓存的存在，要让一个处理器处理的结果对其他处理器可见，首先要把缓存写入内存。
    3. 顺序性，程序必须保持一定的顺序依次的产生结果。

    注意，处理器的很多机制可以保持其中多种性质，比如内存屏障就可以把缓存刷新进入内存，而其他处理器的缓存无效来保证可见性，和通过禁止指令重排来保证顺序性。比如总线锁，缓存锁定，缓存一致性就通过各种方式来保证顺序性和原子性。
    

2. java内存模型

    好了我们更上一层楼，我们刚刚说在下一层（处理器）提供了各种机制来保证效率和正确性，而这一层正是要使用这些机制来到达这一层，也就是JRE和编译器的正确性和效率。
    JMM（即java内存模型）同处理器模型一样，也有很多的机制，包括各种优化。对外也提供volatile，synchronized和臭名昭著的concurrent包。上层的程序员也要使用（合理的方式）这些Java语言和包来保证线程安全。以下简单叙述一些本层次与上一层次的依赖（注意，synchronized因为JMM的优化可以分为3种）

    1. final域 -> 内存屏障

    2. volatile -> 内存屏障（字节码层次）-> 内存屏障（处理器层次）

    3. synchronized -> 偏向锁 + 轻量级锁 + 互斥锁
    偏向锁 -> CAS
    轻量级锁 -> CAS
    互斥锁 -> moniter -> 原子级处理器指令

    4. concurrent包 -> volatile + CAS

    注意CAS实现concurrent包中的原子操作可能会有三大问题：
    1. ABA问题。（解决办法：在变量前增加版本号）
    2. 循环时间长开销大。（解决办法：pause指令）
    3. 只能保证一个共享变量的原子操作。（解决办法：用锁或着合并操作）

    JMM把各种控制程序顺序性的机制抽象成文字形式，就是happens-before。其目的就是向Java开发者屏蔽特定平台的底层细节，设计的程序只要遵守happens-before就可以保证正确性。

3. 程序员

    这是最上面的层次，简单来说就是来利用好下层提供的机制来更好的编程。我想这也是我们要学习java并发原理的原因。