電腦記憶體模型概念

一.記憶體模型的相關概念

　　大家都知道，電腦在執行程式時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程中，勢必涉及到資料的讀取和寫入。由於程式運行過程中的臨時資料是存放在主存（實體記憶體）當中的，這時就存在一個問題，由於CPU執行速度很快，而從記憶體讀取資料和向記憶體寫入資料的過程跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候對資料的操作都要通過和記憶體的互動來進行，會大大降低指令執行的速度。因此在CPU裡面就有了快取。

　　也就是，當程式在運行過程中，會將運算需要的資料從主存複製一份到CPU的快取當中，那麼CPU進行計算時就可以直接從它的快取讀取資料和向其中寫入資料，當運算結束之後，再將快取中的資料重新整理到主存當中。舉個簡單的例子，比如下面的這段代碼：

1	i = i +  1 ;

 　　當線程執行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，然後複製一份到快取當中，然後CPU執行指令對i進行加1操作，然後將資料寫入快取，最後將快取中i最新的值重新整理到主存當中。

　　這個代碼在單線程中運行是沒有任何問題的，但是在多線程中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運行於不同的CPU中，因此每個線程運行時有自己的快取（對單核CPU來說，其實也會出現這種問題，只不過是以線程調度的形式來分別執行的）。本文我們以多核CPU為例。

　　比如同時有2個線程執行這段代碼，假如初始時i的值為0，那麼我們希望兩個線程執行完之後i的值變為2。但是事實會是這樣嗎。

　　可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的快取當中，然後線程1進行加1操作，然後把i的最新值1寫入到記憶體。此時線程2的快取當中i的值還是0，進行加1操作之後，i的值為1，然後線程2把i的值寫入記憶體。

　　最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩衝一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變數為共用變數。

　　也就是說，如果一個變數在多個CPU中都存在緩衝（一般在多線程編程時才會出現），那麼就可能存在緩衝不一致的問題。

　　為瞭解決緩衝不一致性問題，通常來說有以下2種解決方案：

　　1）通過在匯流排加LOCK#鎖的方式

　　2）通過緩衝一致性協議

　　這2種方式都是硬體層面上提供的方式。

　　在早期的CPU當中，是通過在匯流排上加LOCK#鎖的形式來解決緩衝不一致的問題。因為CPU和其他組件進行通訊都是通過匯流排來進行的，如果對匯流排加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他組件訪問（如記憶體），從而使得只能有一個CPU能使用這個變數的記憶體。比如上面例子中 如果一個線程在執行 i = i +1，如果在執行這段代碼的過程中，在匯流排上發出了LCOK#鎖的訊號，那麼只有等待這段代碼完全執行完畢之後，其他CPU才能從變數i所在的記憶體讀取變數，然後進行相應的操作。這樣就解決了緩衝不一致的問題。

　　但是上面的方式會有一個問題，由於在鎖住匯流排期間，其他CPU無法訪問記憶體，導致效率低下。

　　所以就出現了緩衝一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每個緩衝中使用的共用變數的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫資料時，如果發現操作的變數是共用變數，即在其他CPU中也存在該變數的副本，會發出訊號通知其他CPU將該變數的緩衝行置為無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變數時，發現自己緩衝中緩衝該變數的緩衝行是無效的，那麼它就會從記憶體重新讀取。

二.並發編程中的三個概念

　　在並發編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見度問題，有序性問題。我們先看具體看一下這三個概念：

1.原子性

　　原子性：即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

　　一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

　　比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麼必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

　　試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什麼樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後，操作突然中止。然後又從B取出了500元，取出500元之後，再執行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

　　所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

　　同樣地反映到並發編程中會出現什麼結果呢。

　　舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變數賦值過程不具備原子性的話，會發生什麼後果。

1

i =  9 ;

 　　假若一個線程執行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變數賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

　　那麼就可能發生一種情況：當將低16位元值寫入之後，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那麼讀取到的就是錯誤的資料。

2.可見度

　　可見度是指當多個線程訪問同一個變數時，一個線程修改了這個變數的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

　　舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

1 2 3 4