09.11 Java併發原理

網上有不計其數的併發編程文章，甚至有不計其數的書來介紹這個主題。你為什麼要花10分鐘時間來讀完這篇文章呢？我給的答案：“他們全是廢話。”，我覺得這個主題用10分鐘就可以說完，

我只講原理，不會告訴你怎麼用Java的併發庫，這是java doc乾的事情

理解Java併發原理或者其他語言的併發（沒錯，這篇文章是“跨語言”的！！！還這麼短，你說牛逼不牛逼）只需要記住理解兩個東西：

1. CPU訪問存儲的方式——多級存儲；
2. CPU執行指令的方式——亂序

首先回憶我們大學的一門課程——《計算機組成原理》也許你的記憶裡只有：“呃，你要說xx進制轉換成xx進制嗎？”。沒關係我幫你回憶一下：

• 有一節課講多級存儲，說計算機最快的存儲是CPU裡面的Cache，其次是內存，最後是硬盤，最次的是外部存儲（比如光盤之類的）。
• 還有一節課講的是CPU流水線，亂序執行、分支預測，說CPU考慮性能問題會把幾個沒有數據關聯的指令打亂順序執行。

怎麼樣？有印象了嗎？（什麼？沒讀過大學？那我覺得你有必要讀一下大學的課程——即便你不想混文憑）。

多級存儲

我們來看一個“無聊的”Java例子（例子沒有任何意義，會枯燥一些，耐著性質你讀懂了可以超脫了）

程序定義了一個線程，線程會不停的判斷stop標誌位，如果為真則循環累加i。然後我們在主線程裡面修改stop為true。期望線程在進行2秒之後停止。

如果運行這個程序我們得到的結果是——程序永遠不會停止。主線程裡面修改的變量在testThread裡面並沒有發生改變。

解釋這個程序就用到了“多級存儲”，在x86架構的CPU中對數據的的訪問都是經過寄存器，如果數據在內存中CPU會先加載到寄存器然後在讀取；寫入的時候CPU只寫入到寄存器，在“適當的時候”數據會被回寫到內存中。畫個圖:

操作系統把我們程序中的主進程和testThread調度到不同的CPU，testThread（CPU1）訪問stop的時候數據被複制到Cache中然後讀取；主進程（CPU2）訪問stop的時候數據被複制到Cache中然後讀取，賦值的時候會寫入到Cache中。所以CPU2修改的值並不會立馬被CPU1看到，這取決於:

• CPU2是不是寫回到內存中；
• CPU1的Cache是不是被“淘汰”重新從內存中加載數據；

第一條比較容易滿足，因為Cache必定會回寫到內存中（只不過不是實時寫入）；第二條看起來比較困難，唯一的解決辦法是我們訪問stop變量的時候每次都從內存加載而不是通過Cache。在Java中實現這個功能的關鍵字是volatile。

public static volatile boolean stop = false;

這樣程序就可以“正常”執行了。需要注意，volatile只保證“好吧，我不用Cache”，無法保證原子性（比如賦值操作被拆分為多個CPU指令，那麼其他進程可能看到的是一個“中間結果”）。所以volatile其實是一種低效、不安全的併發處理方式。（不使用Cache效率低，無法保證原子性所以不安全）。

流水線，亂序執行、分支預測

代碼比上一個更加枯燥，忍耐一下：

我定義了4個變量，兩個線程，然後分別啟動兩個線程，等待線程執行完之後輸出x,y的值。同志們可以猜猜結果是多少。（註釋後面的標號代表語句編號）

沒錯，根本沒有“正確”答案。我這裡有四種答案：

• 結果：x=0, y=1；執行順序：1, 2, 3, 4
• 結果：x=1, y=0；執行順序：3, 4, 1, 2
• 結果：x=1, y=1；執行順序：1, 3, 2, 4
• 結果：x=0, y=0；執行順序：2, 4, 1, 3

(前面三種執行結果你多執行幾次都會出現，後面的理論是存在。但是我沒有執行出來，單顆CPU更容易出現這樣的結果)

這就是併發的本質，你的代碼不會按照你寫順序執行。前三個很容解釋，兩個線程可能會被“交替”執行，讓人困惑的是第四個結果，解釋這個就必須用到“流水線，亂序執行、分支預測”。

CPU內部有多個執行單元（如果是多個CPU那就更多執行單元了），為了提高吞吐量，它會採用流水線同時執行多條指令；為了優化程序執行的效率適應流水線，CPU會分析指令的依賴關係把可以並行執行的指令並行執行。

在one線程中，a=1和y=b是沒有任何依賴關係的，所以可能y=b會被先執行，a=1則後執行。同樣的道理other線程中也是如此。

總結

沒錯，存儲訪問引起的不一致性+CPU為了提高效率引入的並行機制就是併發程序設計的困難，這兩個問題結合在一起就是“Memory barrier”（內存屏障、內存柵欄），這不是Java獨有的，在任何編程語言中都會存在這個問題，除非你的CPU不是多級存儲、沒有流水線（這還是CPU嗎？）。

寫這篇文章的目的是希望用“基礎”知識來解釋併發編程的問題，而不是像“某些”文章一樣一上來就擺各種名詞，各種JVM內存模型，各種Java規範。我覺得後者只能讓人更困惑，有時候“基礎”的力量非常強大。希望這篇文章對大家有幫助。