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  • 并发与高并发基本概念


    并发:同时拥有两个或者多个线程,如果程序在单核处理器上运行,多个线程将交替地换入或者换出内存,这些线程是同时“存在”的,每个线程都处于执行过程中的某个状态,如果运行在多核处理器上,此时,程序中的每个线程都将分配到一个处理器核上,因此可以同时运行。

    高并发:高并发(High Concurrency)是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一,它通常是指,通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。

    注:

    并发:多个线程操作相同的资源,保证线程安全,合理使用资源

    高并发:服务器能同时处理很多请求,提高程序性能



    CPU多级缓存-缓存一致性


    CPU多级缓存



    为什么需要CPU cache

    CPU的频率太快了,快到主存跟不上,这样在处理器时钟周期内,CPU常常需要等待主存,浪费资源。所以cache的出现,是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题(结构:CPU -> cache -> memory)。

    CPU cache有什么意义

    时间局部性:如果某个数据被访问,那么在不久的将来它很可能被再次访问;

    空间局部性:如果某个数据被访问,那么与它相邻的数据很快也可能被访问。

    缓存一致性(MESI)


    用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据的一致性


    MESI协议中的状态

    • M——Modified 修改:指的是该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中,并且是被修改过的,因此他与主存中的数据是不一致的,该缓存行中的数据需要在未来的某个时间点(允许其他CPU读取主存相应中的内容之前)写回主存,然后状态变成E(独享)

    • E——Exclusive 独享:指的是该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中,是未被修改过的,与主存的数据是一致的,可以在任何时刻当有其他CPU读取该内存时,变成S(共享)状态,当CPU修改该缓存行的内容时,变成M(被修改)的状态

    • S——Share 共享:意味着该缓存行可能会被多个CPU进行缓存,并且该缓存中的数据与主存数据是一致的,当有一个CPU修改该缓存行时,其他CPU是可以被作废的,变成I(无效的)

    • I——Invalid 无效:代表这个缓存是无效的,可能是有其他CPU修改了该缓存行

    • local read:读本地缓存的数据
    • local write:将数据写到本地缓存里面
    • remote read:将内存中的数据读取到缓存中来
    • remote write:将缓存中的数据写会到主存里面



    CPU多级缓存-乱序执行优化


    处理器为提高运算速度而作出违背代码原有顺序的优化


    JAVA内存模型


    Java 内存模型




    • Heap(堆):java里的堆是一个运行时的数据区,堆是由垃圾回收来负责的,堆的优势是可以动态的分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,因为他是在运行时动态分配内存的,java的垃圾回收器会定时收走不用的数据,缺点是由于要在运行时动态分配,所以存取速度可能会慢一些。

    • Stack(栈):栈的优势是存取速度比堆要快,仅次于计算机里的寄存器,栈的数据是可以共享的,缺点是存在栈中的数据的大小与生存期必须是确定的,缺乏一些灵活性。栈中主要存放一些基本类型的变量,比如 int,short,long,byte,double,float,boolean,char,对象句柄。

    java内存模型要求调用栈和本地内存变量存放在线程栈(Thread Stack)上,对象存放在堆上。一个本地变量可能存放一个对象的引用,这时引用变量存放在本地栈上,但是对象本身存放在堆上,成员变量跟随着对象存放在堆上,而不管是原始类型还是引用类型,静态成员变量跟随着类的定义一起存在在堆上。存在堆上的对象,可以被持有这个对象的引用的线程访问。如果两个线程同时访问同一个对象的私有变量,这时他们获得的是这个对象的私有拷贝。


    计算机硬件架构




    JVM 与硬件内存架构的关联




    Java内存模型抽象结构




    Java内存模型-同步八种操作


    • lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态

    • unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定

    • read(读取):作用于主内存的变量,把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用

    • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中

    • use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎

    • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量

    • store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write的操作

    • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中

    Java内存模型-同步规则


    • 如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存,就需要按顺序地执行read和load操作,如果把变量从工作内存中同步回主内存中,就要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行,而没有保证必须是连续执行

    • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现

    • 不允许一个线程丢弃它的最近assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中

    • 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中



    • 一个新的变量只能再主内存中诞生,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作

    • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现

    • 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

    • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作;也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量

    • 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)

    Java内存模型-同步操作与规则




    并发的优势与风险


    优点


    • 速度:同时处理多个请求,响应更快;复杂的操作可以分成多个进程同时进行

    • 设计:程序设计在某些情况下更简单,也可以有更多的选择

    • 资源利用:CPU能够在等待IO的时候做一些其他的事情

    缺点


    • 安全性:多个线程共享数据时可能会产生于期望不相符的结果

    • 活跃性:某个操作无法继续进行下去时,就会发生活跃性问题,比如死锁、饥饿等问题

    • 性能:线程过多时会使得:CPU频繁切换,调度时间增多,同步机制,消耗过多内存

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