并发之道：三大并发问题与JMM何干？

笔者曾经历过数据规模（每天）在万亿级的监控系统、百亿级的链路追踪系统、亿级的网关系统、千万级的短信系统、千万级的网络电话系统等诸多高并发系统的建设

在高并发系统的架构设计、开发实现、加固调优方面有一些经验积累

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一、背景

1.1 冯·诺依曼结构的局限性

现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼结构，这个结构存储程序的方式造成了系统对存储器的依赖，受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件的约束，CPU + 存储器（ 内存和硬盘） 这个三剑客组合已保持好多年未变，并且它们之间的速度相差很多，但 CPU 与存储器间信息交换的速度一直是影响系统性能的主要因素。

1.2 破局

若要提升信息交换的速度，就需要解决 CPU、内存、硬盘之间的速度差异问题。计算机体系结构、操作系统、编译程序等各自发力提供了解决方案：

1. 操作系统通过增加进程、线程，分时复用 CPU，均衡 CPU 与 IO 设备之间的速度差异
2. CPU 通过增加多级缓存，均衡与内存之间的速度差异
3. 编译程序和处理器通过优化指令顺序，使得运行效率更高

从发展史看，降低速度差异的改进其实很多，配合本篇并发问题探索的需求，仅关注这三味良药；有所得则必有所失，这三味良药也分别带来了副作用，也即今天要探讨的并发的三大问题。

二、并发的三大问题

2.1 原子性问题

原子即整体不可分割，原子性操作是由 CPU 指令来保证的，执行一个或一组指令完成原子操作的过程中，CPU 不能被中断；但在操作系统分时复用 CPU 的机制中，指令与指令之间可以发生中断，CPU 指令集中提供的不中断的原子操作特别少，根本无法满足应用层原子性逻辑操作的多样化诉求。

分时复用CPU(来自网络).png

2.2 可见性问题

程序要运行，就会将数据从内存加载到 CPU 缓存，或者将数据从 CPU 缓存存储到内存；SMP 对称多处理器架构中，基于总线嗅探机制衍生了多种不同的 CPU 缓存一致性协议，其中最常用的就是 MESI 协议。

多级缓存架构的缓存一致性机制(来自网络).png

虽然看起来 MESI 提供了缓存一致的能力，但需注意 MESI 在实现缓存一致性时加入 Store buffer 和 Invalidate message Queue，通过异步处理来提升性能。所以从效果看缓存之间并非同步变更，这种最终一致的机制还是会导致缓存可见性问题。而有些场景下，应用程序需要的是立即一致或者说是按需一致。

2.3 有序性问题

为了提高性能、效率，编译器、处理器等常会对指令进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：

• 编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程的程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序

编译优化重排序(来自网络).png

• 指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序

指令级并行的重排序(来自网络).png

• 内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的

三、编程语言如何解决并发问题

3.1 提供多线程操控的能力

编程语言面对并发的三大问题，它所做的是对多线程的通信、同步机制进行包装，为开发者提供使用轻便、功能丰富的多线程编程 API。

3.2 选择合适的多线程通信、同步机制

• 线程间通信：线程间交换信息的机制
• 线程间同步：控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制

从上图可知，通过消息传递或者共享内存都可以实现线程间的通信、同步，不同的语言采用的方式可能不同，而 JAVA 采用的是共享内存的方式，似乎共享内存的方式开发者更容易理解。

四、Java 如何解决并发问题

Java 是采用共享内存的方式来进行线程间的通信、同步，为了屏蔽各个硬件平台和操作系统对内存访问机制的差异化，内存模型（Memory Model)诞生了，而 JAVA 的内存模型就叫 JMM。

4.1 JMM-共享内存的抽象

JMM 以抽象方式约定了，共享变量会先放在主存中，每个线程都有属于自己的工作内存，并且会把位于主存中的共享变量拷贝到自己的工作内存，之后的读写操作均使用位于工作内存的变量副本，并在某个时刻将工作内存的变量副本写回到主存中去。

JMM内存模型的抽象结构示意图.png

我曾疑惑许久 JMM 中的本地内存到底是啥？查阅的一些资料表明：本地内存是 JMM 中的一个抽象概念，并不真实存在；它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化，这正是以抽象的概念来屏蔽底层实现的证明。

Java内存模型和操作系统内存模型的关系(来自网络).png

4.2 JMM 如何解决并发三大问题

这里需要特别注意，内存模型(MM)的工作目标是保证 内存一致性( Memory Consistency） ，而有了 内存一致性的保证，自然就解决了可见性、重排序、原子性这些问题。了解一下 JMM 如何规范读写，就能明白这个因果关系：

1. 有序的读写：不同地址上的读写操作在其他处理器看来不乱序（通过内存屏障来保障 ）
2. 写操作的原子性: 一个写操作是否同时被其他处理器观察到

这样的描述似乎不易理解，下边转换为面向编程的话术就是 JMM 规范了：

1. 一个线程如何以及何时，可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值
2. 在必要时，如何以同步串行的效果访问共享变量

有序的读写还有这样经典的描述：

• 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的
  • 这个描述是指，线程内表现为串行的语义（Within Thread As-If-Serial Semantics））
• 如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。
  • 这个描述是指，指令重排序现象以及工作内存与主内存同步延迟的现象；指令重排序在任何时候都有可能发生，与是否为多线程无关，之所以在单线程下感觉没有发生重排序，是因为线程内表现为串行的语义的存在

四、总结

并发场景要解决好原子性问题、可见性问题、重排序问题。JAVA很友好，站在开发者的立场考虑问题，通过JMM屏蔽了复杂多样又难以理解的底层技术知识，以更亲民的方式提供给我们解决这些问题的规范和工具，让开发者只关注如何操作，而忽视底层的复杂实现。

要客观应对高并发场景，许多系统并非设计出来时便具备高并发的能力，而是在上线后根据真实请求和数据的分布情况，通过针对性的加固、调优反复打磨而成，比如全链路追踪系统SkyWalking的建设与实践，详情查看：

后续笔者会不断将自己沉淀多年的高并发相关的知识整理输出，敬请期待。

最后说一句(请关注，莫错过)

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参考并感谢

• Java并发编程的艺术

• Java并发编程实战