Java作為一個(gè)跨平臺的語言，它的實(shí)現(xiàn)要面對不同的底層硬件系統(tǒng)自沧，設(shè)計(jì)一個(gè)中間層模型來屏蔽底層的硬件差異纵柿，給上層的開發(fā)者一個(gè)一致的使用接口。Java內(nèi)存模型就是這樣一個(gè)中間層的模型衩茸，它為程序員屏蔽了底層的硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)芹血，支持大部分的主流硬件平臺。要理解Java內(nèi)存模型以及一些處理高并發(fā)的技術(shù)手段楞慈，理解一些基本的硬件知識是必須的幔烛。這篇會說一下跟并發(fā)編程相關(guān)的一些硬件知識。
一個(gè)基本的CPU執(zhí)行計(jì)算的過程如下：
1. 程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存
2. 指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存
3. CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存
4. 高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存
這個(gè)過程中，我們可以看到有兩個(gè)問題
1. 現(xiàn)代的計(jì)算芯片都會集成一個(gè)L1高速緩存榨馁，我們可以理解為每個(gè)芯片都有一個(gè)私有的存儲空間耕驰。那么當(dāng)CPU的不同計(jì)算芯片要訪問同一個(gè)內(nèi)存地址時(shí)爵卒，該內(nèi)存地址的值會在CPU的不同計(jì)算芯片之間有多個(gè)拷貝地消，如何同步這些拷貝废赞？
2. CPU讀寫是直接和高速緩存打交道虎眨，而不是和主內(nèi)存直接打交道弟劲。因?yàn)橥ǔＲ淮沃鞔嬖L問在幾十到幾百個(gè)時(shí)鐘周期祷安，而一次L1高速緩存的讀寫只需要1-2個(gè)時(shí)鐘周期，而一次L2高速緩存的讀寫只需要數(shù)十個(gè)時(shí)鐘周期兔乞。那么CPU寫到高速緩存的值何時(shí)寫回到主內(nèi)汇鞭？如果是多個(gè)計(jì)算芯片在處理同一個(gè)內(nèi)存地址，那么如何處理這個(gè)時(shí)間差是個(gè)問題庸追。
對于第一個(gè)問題霍骄，不同的硬件結(jié)構(gòu)處理的方式不一樣。我們來理解一下互連線的概念淡溯。
互連線是處理器于主存以及處理器與處理器之間進(jìn)行通信的媒介读整，有兩種基本的互聯(lián)結(jié)構(gòu)：SMP（symmetric multiprocessing 對稱多處理）和NUMA（nonuniform memory access 非一致內(nèi)存訪問）
SMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常普通，因?yàn)樗鼈冏钊菀讟?gòu)建咱娶，很多小型服務(wù)器采用這種結(jié)構(gòu)米间。處理器和存儲器之間采用總線互聯(lián)，處理器和存儲器都有負(fù)責(zé)發(fā)送和監(jiān)聽總線廣播的信息的總線控制單元豺总。但是同一時(shí)刻只能有一個(gè)處理器（或存儲控制器）在總線上廣播车伞，所有的處理器都可以監(jiān)聽。
很容易看出喻喳，對總線的使用是SMP結(jié)構(gòu)的瓶頸另玖。
NUMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一系列節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)表伦，像一個(gè)小型互聯(lián)網(wǎng)谦去，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)處理器和一個(gè)本地存儲器。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地存儲對于其他節(jié)點(diǎn)是可見的蹦哼，所有節(jié)點(diǎn)的本地存儲一起形成了一個(gè)可以被所有處理器共享的全局存儲器鳄哭。可以看出纲熏，NUMP的本地存儲是共享的妆丘，而不是私有的，這點(diǎn)和SMP是不同的局劲。NUMP的問題是網(wǎng)絡(luò)比總線復(fù)制勺拣，需要更加復(fù)雜的協(xié)議，處理器訪問自己節(jié)點(diǎn)的存儲器速度快于訪問其他節(jié)點(diǎn)的存儲器鱼填。NUMP的擴(kuò)展性很好药有，所以目前很多大中型的服務(wù)器在采用NUMP結(jié)構(gòu)。
對于上層程序員來說，最需要理解的是互連線是一種重要的資源愤惰，使用的好壞會直接影響程序的執(zhí)行性能苇经。
大概理解了不同的互連結(jié)構(gòu)之后，我們來看看緩存一致性協(xié)議宦言。它主要就是處理多個(gè)處理器處理同一個(gè)主存地址的問題扇单。
MESI是一種主流的緩存一致性協(xié)議，已經(jīng)用在Pentium和PowerPC處理器中蜡励。它定義了緩存塊的幾種狀態(tài)
- modified（修改）：緩存塊已經(jīng)被修改令花，必須被寫回主存，其他處理器不能再緩存這個(gè)塊
- exclusive（互斥）：緩存塊還沒有被修改凉倚，且其他處理器不能裝入這個(gè)緩存塊
- share（共享）：緩存塊未被修改，且其他處理器可以裝入這個(gè)緩存塊
- invalid（無效）：緩存塊中的數(shù)據(jù)無效
上圖展示了MESI高速緩存一致性協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)例嫂沉。
1. 在a中稽寒，處理器A從地址a讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入它的緩存并置為exclusive
2. 在b中趟章，當(dāng)處理器B試圖從相同地址a讀取數(shù)據(jù)時(shí)杏糙，A檢測到地址沖突，以相關(guān)數(shù)據(jù)做出響應(yīng)蚓土。此時(shí)a同時(shí)被A和B以shared狀態(tài)裝入緩存
3. 在c中宏侍，當(dāng)B要對共享地址a進(jìn)行寫操作，則將狀態(tài)改為modified,并廣播提醒A,讓它將它的緩存塊狀態(tài)設(shè)置為Invalid
4. 在d中蜀漆，當(dāng)A試圖從a讀取數(shù)據(jù)谅河，會廣播它的請求，B則把它修改的數(shù)據(jù)發(fā)送到A和主存确丢，并設(shè)置兩個(gè)副本的狀態(tài)為shared來做出響應(yīng)
更多緩存一致性協(xié)議的細(xì)節(jié)參考這篇 http://blog.csdn.net/realxie/article/details/7317630
緩存一致性協(xié)議存在的一個(gè)最大的問題是可能引起緩存一致性流量風(fēng)暴绷耍，之前我們看到總線在同一時(shí)刻只能被一個(gè)處理器使用，當(dāng)有大量緩存被修改鲜侥，或者同一個(gè)緩存塊一直被修改時(shí)褂始，會產(chǎn)生大量的緩存一致性流量，從而占用總線描函，影響了其他正常的讀寫請求崎苗。
一個(gè)最常見的例子就是如果多個(gè)線程對同一個(gè)變量一直使用CAS操作，那么會有大量修改操作舀寓，從而產(chǎn)生大量的緩存一致性流量胆数，因?yàn)槊恳淮蜟AS操作都會發(fā)出廣播通知其他處理器，從而影響程序的性能基公。
后面我們會講如何優(yōu)化這種使用方式幅慌。
對于第二個(gè)問題，如何處理修改數(shù)據(jù)從高速緩存到主內(nèi)存的時(shí)間差轰豆，通常使用內(nèi)存屏障來處理胰伍，后面會有專門的主題齿诞。
