并发和并行的区别

并行（parallel）：在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。所以无论从微观还是宏观角度来看，二者都是一起执行的。

并发（concurrency）：在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但微观上并不是同时执行的，只是把时间分为若干段，使得多个线程快速交替的执行。

但是二者的目的都是为了最快化CUP的使用效率

为什么需要多线程

喜欢睡觉的朋友都知道，睡觉容易醒来难。这是由于我们身体的延迟习惯。

而 CPU、内存、I/O 设备之间的速度也有很大的差异。所以为了合理利用 CPU 的高性能，尽可能的减少三者之间的速度，计算机体系结构、编译系统、操作系统都做出了相应的改善。譬如：

• CPU 增加了三级缓存，用于均衡与内存的速度差异
• 编译程序新增优化执行次序（如编译器优化、指令并行重排、内存系统重排），使得缓存能够得到更加合理得使用
• 操作系统增加了进程、线程，以时分复用 CPU、进而均衡 CPU 与 I/O 设备之间的速度差异。

并发三大特性

以上做出的三大改善，便会引出并发的三大特性。

• 可见性：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能看到修改的值

  此时主存中 i= 0；
      
  CPU1 执行 i = i + 3;
  
  CPU2 执行 i = i + 5;
  

  cpu1 将结果写入高速缓存中，但还没写入主内存中时。 cpu2 此时从主内存中获取了 i = 0 加载进自己的高速缓存中，这样就会导致返回的结果并不符合预期的 i = 8 的结果集。

  从而引发了可见性问题。

  那么如何保证有序性呢（从 Java 角度出发）？

  • volatile 关键字
  • 内存屏障
  • synchronized 关键字
  • Lock 关键字
  • final 关键字

• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

  int i = 0;
  boolean flag = false;
  i = i + 3;
  

  以上代码，初看没有什么问题，实际上也没什么问题。 但在 jvm 执行后可能会发生顺序重拍，因为 cpu 在执行第三步的时候，高速缓存失效，要重新从主存的值，这样就会导致慢了一丢丢。 所以可能会将第一步和第二步调换（有意思的是，笔主在查看字节码的时候并没有发现变化，因此推断可能发生在后两阶段的重拍）。

  因此，为了提高执行的性能，处理器和编译器通常会对指令进行重新排序。重排又分为一下三种：

  • 编译器优化重排：编译器在不改变单线程语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
  • 指令级并行重排：现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）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。
  • 内存系统重排：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。

  一条 Java 命令执行到最终执行，便是顺序经过以上三种指令排序。

  上诉的后两种重排方法属于处理器重排。

  对于编译器重排序，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。

  而对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

  那么如何保证有序性呢？

  • volatile 关键字
  • 通过内存屏障
  • synchronized关键字
  • Lock

• 原子性：一个或多个操作，要么全部执行且在执行过程中不被任何因素打断，要么全部不执行。在 Java 中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作（64位处理器）。不采取任何的原子性保障措施的自增操作并不是原子性的。

  int i = 0;
  // 线程1.2 执行
  i ++;
  

  通过以上代码， i++ 虽然只有一行代码，但是却需要三行 CPU 代码：

  1. 读取变量 i
  2. 在 CPU 寄存器中执行 i + 1 操作
  3. 将结果写入内存/缓存中

  由于线程的上下文贴换，在线程1执行了第一条指令后，便切换到了线程2执行。 这样便会导致原子性问题。

  那么如何保证原子性呢？

  • synchronized 关键字。
  • Lock。
  • CAS。

  注意：为什么会特别标注64位处理器呢？

  主要在32位处理器在计算64位数据时，会将其分为高低位两次单独的写入。这可能导致线程看到前32个来自与上一个64位的值，后32位来自另一个。

  但是，在Java5之后，开发人员 JMM 进行了优化，确保了单个读写（笔者认为就是确保在同一时间段，只有一个64位分成的高低位在进行运算）的原子性，也就是以上错误并不会出现，但他对于其他复杂操作并不包含原子性。

好啦，概念先介绍到这里，更详细的说明就等笔者的后续文章吧。

其实最主要的是笔者还没形成总结，也还在思考一些概念。

参考资料

《Java并发编程的艺术（方腾飞）》 Java 并发和多线程教程 (jenkov.com)