本篇文章将以Intel CPU作为讨论基础

一、并发的由来

  1. 一台计算机有2个cpu,其中CPU1执行程序A,CPU2执行程序B,由于程序A和程序B是两个不同的应用程序,所以它们两个之间并不存在并发问题。

2.现在两个CPU要执行程序A的同一段代码,比如对变量a执行加1操作,代码a=a+1经过汇编器编译之后就是如下指令片段:addl $1,-4(%esp);

Intel CPU的指令集属于复杂指令集类型(CISC),其内部也是由微指令组成,就拿上面的加1操作指令,在CPU内部执行的时候可能会分成如下三步:

(1)从内存中取到1放入寄存器中

movl -4(%ebp),%eax

(2)对寄存器中的数执行加1操作

addl $1,%eax

(3)将加操作的结果写回内存中

movl %eax,-4(%ebp)

3.那么问题就来了:由于执行的是同一段代码,我们期望最后的结果是两个CPU各加一次,也就是a=3。但实际情况存在穿插执行:CPU1和CPU2同时执行了步骤1,此时a=1;然后CPU2执行了加法操作并把数据写入了内存,此时a=2,但CPU1已经取到的值是1,执行加法指令操作,接着把结果写入内存,结果依然是a=2。与我们预期的a=3不符,造成数据紊乱。造成数据紊乱的根本原因就是穿插执行,多个CPU操作同一个可读可写的数据就会有并发问题。那在CPU层面是如何解决并发问题呢?

二、CPU解决并发问题的方案

1.对总线上锁

为了解决并发问题,我们能想到的就是把以上三个步骤的代码当作一个整体,要么全部不执行,要么全部执行不能被穿插,我们称之为原子性代码:将一串操作定义为不能拆散的基本操作。

CPU在访存的时候需要通过控制总线、数据总线和地址总线相结合从内存读写数据,由此可以得知第一种解决办法就是对总线上锁。但这种方法有个很大的弊端,一旦锁了总线,就算其他CPU执行的不是同一个程序的代码,那么这些CPU也得等待,这将造成严重的性能损耗,锁的粒度太大,为此我们考虑如何将锁细粒度化?

2.对缓存行上锁

CPU内部有缓存,为了加速访问,CPU会把数据a相邻连续的一段内存空间数据(缓存行)加载到缓存中,为此得到了我们第二种解决数据紊乱的办法:对缓存行上锁。一旦数据a发生改变,会根据CPU的MESI协议来更新数据,达到数据一致性。[关于CPU的MESI协议可以参考本篇文章]

3.原子性指令

综上所述,intel cpu提供了原子性指令,只要指令支持lock前缀,那么它就可以把这条指令变成原语指令(原语:原子性的语义),比如 add,加上lock前缀就是 lock;add ,那么加法操作就变成了原子性操作,不会再被穿插执行了。但也有一些指令比较特殊,它们本身就是原语指令,不需要lock前缀,比如:xchg。

三、上层应用的并发解决方案

只有CPU提供了原子性指令,上层应用才能够根据这些指令来设计出指令段与指令段之间的原子性操作。这是一种自底向上的设计,没有CPU最底层的支持,上层应用根本就无法解决并发问题。应用程序使用自身语言提供的并发操作函数库,比如java的juc包,而这些函数库又会封装OS的系统调用或者使用glibc库,OS的系统调用最终会使用CPU提供的原子性指令。

并发原理 — CPU原子性指令(一)的更多相关文章

  1. java高并发核心要点|系列4|CPU内存指令重排序(Memory Reordering)

    今天,我们来学习另一个重要的概念. CPU内存指令重排序(Memory Reordering) 什么叫重排序? 重排序的背景 我们知道现代CPU的主频越来越高,与cache的交互次数也越来越多.当CP ...

  2. 【Java虚拟机5】Java内存模型(硬件层面的并发优化基础知识--指令乱序问题)

    前言 其实之前大家都了解过volatile,它的第一个作用是保证内存可见,第二个作用是禁止指令重排序.今天系统学习下为什么CPU会指令重排. 存储器的层次结构图 1.CPU乱序执行指令的根源 CPU读 ...

  3. 单片机、CPU、指令集和操作系统的关系

    郑重声明:转载自http://blog.csdn.net/zhongjin616/article/details/18765301 1> 首先讨论各种单片机与操作系统的关系 说到单片机,大家第一 ...

  4. cpu读取指令时读取的长度

    CPU读取指令时,如果单字节指令,一次访存即可完成读取操作:如果是多字节指令,会根据第一次读取指令的操作码与寻址标志位,判断指令的后续长度,进而完成整个指令的读取,同时指令指针IP会自动进行修改,指向 ...

  5. MySQL InnoDB 实现高并发原理

    MySQL 原理篇 MySQL 索引机制 MySQL 体系结构及存储引擎 MySQL 语句执行过程详解 MySQL 执行计划详解 MySQL InnoDB 缓冲池 MySQL InnoDB 事务 My ...

  6. Python 之并发编程之进程上(基本概念、并行并发、cpu调度、阻塞 )

    一: 进程的概念:(Process) 进程就是正在运行的程序,它是操作系统中,资源分配的最小单位. 资源分配:分配的是cpu和内存等物理资源 进程号是进程的唯一标识 同一个程序执行两次之后是两个进程 ...

  7. 并发编程-CPU执行volatile原理探讨-可见性与原子性的深入理解

    volatile的定义 Java语言规范第3版中对volatile的定义如下:Java编程语言允许线程访问共享变量,为了确保共享变量能被准确和一致地更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量.Jav ...

  8. CPU 多核指令 —— WFE 原理【原创】

    转自:http://tinylab.org/arm-wfe/ Zhang Binghua 创作于 2020/05/19 打赏 微信公众号   知识星球 关注 @泰晓科技 与数千位一线 Linux 工程 ...

  9. 【多线程与高并发原理篇:4_深入理解synchronized】

    1. 前言 越是简单的东西,在深入了解后发现越复杂.想起了曾在初中阶段,语文老师给我们解说<论语>的道理,顺便给我们提了一句,说老子的无为思想比较消极,学生时代不要太关注.现在有了一定的生 ...

随机推荐

  1. 【Azure Developer】记录一次使用Java Azure Key Vault Secret示例代码生成的Jar包,单独运行出现 no main manifest attribute, in target/demo-1.0-SNAPSHOT.jar 错误消息

    问题描述 创建一个Java Console程序,用于使用Azure Key Vault Secret.在VS Code中能正常Debug,但是通过mvn clean package打包为jar文件后, ...

  2. JavaWEB-02-MySQL高级

    内容 约束 多表关系 一对一 一对多 多对多 多表联查 ==多表联查== 事务 1. 约束 1.1 概念 限制,在数据库中是对某一列(多列)进行限制. 对表中的数据进行限定,保证正确性.有效性.完整性 ...

  3. GET 请求和 POST 请求的区别和使用

    作为前端开发, HTTP 中的 POST 请求和 GET 请求是经常会用到的东西,有的人可能知道,但对其原理和如何使用并不特别清楚,那么今天来浅谈一下两者的区别与如何使用. GET请求和POST请求的 ...

  4. 我的sql没问题为什么还是这么慢|MySQL加锁规则

    前言 前阵子参与了字节跳动后端青训营,其中大项目编写涉及到数据持久化一般选择使用MySQL.由于时间原因,数据库使用我选择了无脑三板斧:1. 建立了索引加速查询.2. 关闭自动提交事务.3. 在需要确 ...

  5. 【C语言】超详讲解☀️指针是个什么针?(一次性搞定指针问题)

    目录 前言 一. 什么是指针? 引例 计算机是怎么对内存单元编号的呢? 内存空间的地址如何得到 想存地址怎么办? ​ 本质目的不是为了存地址 二.指针和指针类型 为什么有不同类型的指针 1.指针的解引 ...

  6. Sentry的安装、配置、使用

    前言 上一篇文章介绍了ExceptionLess这个日志收集系统:ExceptionLess的安装.配置.使用 由于ExceptionLess官方提供的客户端只有.Net/.NetCore平台和js的 ...

  7. websocket、socket、http对比

    简介 在之前的理解中,讲述了socket.websocket等相关的理解,本文就socket.websocket.http理解一下其对应的联系和区别. HTTP 协议 http 为短连接:客户端发送请 ...

  8. mysql show操作

    SHOW CHARACTER SET 显示所有可用的字符集 SHOW CHARACTER SET; SHOW CHARACTER SET LIKE 'latin%'; SHOW COLLATION 输 ...

  9. Python算法之动态规划(Dynamic Programming)解析:二维矩阵中的醉汉(魔改版leetcode出界的路径数)

    原文转载自「刘悦的技术博客」https://v3u.cn/a_id_168 现在很多互联网企业学聪明了,知道应聘者有目的性的刷Leetcode原题,用来应付算法题面试,所以开始对这些题进行" ...

  10. LuoguP1020 导弹拦截 (LIS)

    最长不降和单升 #include <iostream> #include <cstdio> #include <cstring> #include <algo ...