操作系统的内存模型

所有的数据运算都需要通过CPU来执行，所有的数据都是存储在内存中的，但是CPU的速度非常快，而内存的速度相比于CPU来说非常慢，因此CPU不能直接去操作内存，所以CPU设置了一系列的高速缓存，就是我们常常看到的一级缓存(L1)、二级缓存(L2)、三级缓存(L3)等，如果需要CPU需要操作数据，则首先将数据从内存(主内存)中读取到高速缓存中来，然后再层层传递直到传递到寄存器，CPU就可以通过指令集对数据进行运算了

如果你的系统只有一个CPU，那么就不会有数据的线程安全问题，因为同时只会有一个线程来操作数据，再将数据写回主内存，但是现代计算机基本不会再有单CPU的机器了，所以要面对多线程的情况，比如两个线程同时对变量i进行++操作，按理来说结果应该是i = 3才对，但是由于高速缓存的存在，导致出现下面的结果

变量i经过两次操作之后的结果还是2，很明显，在CPU1对变量i进行修改的时候从内存中读取到的i值为1，然后缓存到自己的高速缓存中并执行i然后将结果再次缓存到高速缓存再写入到主内存，CPU2在同时也做了同样的操作，所以导致了最后i++两次之后的结果错误，这种错误不是我们想看到的

CPU为了解决这种问题，有两个解决方案

• 总线锁：在CPU操作数据时会锁定数据锁在的主内存块，在操作期间其他CPU都无法操作该块内存的数据，因此也就不会出现数据错误问题，但是这种总线锁效率比较低，所以CPU又有了一种新的解决方法，缓存锁

• 缓存锁：缓存一致性协议(MESI)，针对于上面这种情况，如果CPU将变量i的值写入到了主内存，那么它会通知其他CPU，该数据已经被修改过了，其他CPU的数据都已经失效了，需要重新从主内存中读取该数据

  • MESI：其实对应了缓存的四种状态：
    • M，Modified，缓存有效，但是和内存中的数据不一致了
    • E，Exclusive，互斥，缓存有效，内存和缓存的数据一致并且数据只存在于当前缓存中
    • S，Shared，共享态，缓存有效，内存和缓存数据一致并且数据存储在多个缓存中
    • I，Invalid，缓存无效

在上面的例子中。变量i就是共享变量，因此其在CPU中的缓存初始状态为S，接着CPU1对变量i进行写入，CPU1本地缓存状态转换路径为S -> E -> M，CPU2中变量i的缓存状态转换路径为 S -> I，也就是缓存失效，那么CPU2会再次从主内存中读取最新的变量i的值

并发的三大问题

• 原子性
• 有序性
• 可见性

原子性

原子性，即一个操作是不可被分割的，例如i这个操作，其实可以被分为3步操作，首先读取变量i的值，然后对其值加1，再将新值写入到i所在的内存中，那么i就不是一个原子操作

有序性

有时候为了提高代码的执行效率，CPU和编译器可能会对指令进行重排序，在不改变代码运行结果的前提下改变代码的执行顺序

可见性

多线程工作时，对共享变量的修改操作，比如CPU1修改了变量i的值然后写入主内存，在CPU1写入主内存之前CPU2就需要用到变量i了，于是CPU2从主内存中读取到了变量i的旧值，然后CPU1才将变量i的值写入到主内存，这就是可见性问题，多CPU环境下对共享变量的修改不能及时被其他CPU看到