1. 并发产生背景 & 并发解决原理

原创于 2025-08-25 23:23:37 发布 · 498 阅读

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

2 篇文章

订阅专栏

一. 并发产生背景

为什么现在普遍流行并发的说法？那何为并发呢？

那我们思维回到最初始的单核CPU，单核CPU（抛开切换上下文）操控一个数据会产生数据问题么？答案是否定的。因为单核CPU操控数据，只有一个进程在串行的操作数据。那我们从汇编层面看下数据如何操作。就拿对一个内存数据int a = 1进行+1操作举例。

拿intel cpu举例，因为我们服务器基于intel实现较多，intel的汇编指令是risc，精简指令集，笔者在这里写汇编伪代码，目的是带大家感受底层的操作原理。

addl $1, (%ebp - 4)

而对于CPU而言，它要操作的是微指令（μop），所以risc会被译码成多个步骤的汇编

# 笔者这里省略开辟栈帧，直接写个伪代码，感受汇编的操作
movl (%ebp - 4), eax // 将内存数据，放入eax寄存器中
addl 1, eax 		// 进行+1操作
movl eax, (%ebp - 4)  // 放回内存

所以就通过简单的单核CPU就可看出，它操作一个内存数据，是要有大致的3个步骤。

有了这节的铺垫，我们可以更好后面章节的并发引入。

拿2个CPU举例，同时操作一个内存数据，会发生什么？

首先，我们需要分2个场景

若2个CPU同时读一个内存数据，而不进行更改，那会不会产生数据问题？这就可以联想一个上层应用的场景，读redis缓存数据，是否会考虑并发问题？

答案是否定的，因为这里只涉及读时的性能问题，而不会导致实质性的数据问题。

ps：这里就要引入[1.1 单核CPU](# 1.1 单核CPU)时讲解的汇编指令，但读者也不用担心会非常难以理解，因为笔者也不是汇编层面的开发人员。这里只是做个了解。

当2个CPU同时执行自己的cu,alu,mu来开始操作写数据，进行+1操作时，会发生什么？

比如一个CPU执行+1操作，会衍生3条汇编指令，而2个CPU同时CPU同时操作，每个CPU3条汇编指令，那么总共是6条汇编指令。在同一时刻有可能是CPU-1执行了第一条汇编，而CPU-2执行到了第2条汇编，有诸多排列组合。

若此时，CPU-1，CPU-2，都把内存数据读到了各自的EAX中，这时内存数据读取的操作都是一样，若同时进行+1操作时，CPU-1执行后是2，CPU-2执行后也是2，那么写回内存，最后结果就是2，而非期望的结果3。

由前面2节引申的概念，可以推理出，当多核CPU同时执行操作一个可读可写的数据，会导致数据紊乱，而造成紊乱的原因：汇编指令的穿插执行。

既然是穿插执行导致的数据紊乱问题，那么我们不让它紊乱就行了。比如CPU执行这个数据读/写内存，需要通过数据总线，控制总线，地址总线。多核CPU共享总线，那么我们就把总线锁住是否可以？答案是肯定的，因为CPU-1执行时，把总线锁住，导致CPU-2操作不了该数据。这就叫总线锁

那么会衍生出一个新的问题。若其他CPU不操作该数据，也会被锁住阻塞等待。直至CPU-1操作完，这样的操作很消耗性能，减少吞吐量。

那么为了解决这种粗粒度的锁性能问题，但又想保证汇编指令的不可被插入性，那该怎么办呢？

每个CPU内部都有自己的L1缓存行，若我把数据的虚拟地址读入到缓存行中，进行缓存行的锁定该数据虚拟地址，那么其他CPU若访问该虚拟地址就会被阻塞，性能就会增加，这就叫缓存行锁。

在这里插入图片描述

上面引申了2个锁的概念，现在就需要说明一下汇编指令的不可插入行为的术语，该术语叫做原子性。

原子性：一段指令要么不执行，要么都执行完毕并且执行时不被穿插别的指令。也就是一串不被拆散的操作。

那么每个CPU厂商肯定要实现自己的原子性操作，会提供CPU级别的原子性指令来保证并发操作数据时带来的紊乱性。那么上层应用使用该CPU提供的原子性操作，即可实现自己的并发操作保证多段指令间的并发问题。