壓榨CPU性能帶來的問題

由于CPU速度非常快，且價格非常昂貴，我們必須得 充分壓榨CPU ,得像生產(chǎn)隊的驢一樣，讓它不停地工作!

為了合理利用 CPU 的高性能，同時盡可能地節(jié)約成本，現(xiàn)代計算機將這些儲存器充分的結(jié)合起來，由于這些硬件的數(shù)據(jù)存取速度差異導致了計算機系統(tǒng)編程中的各種問題：

有序性問題

為了充分壓榨CPU的性能， CPU 會對指令亂序執(zhí)行或者語言的編譯器會指令重排 ，讓CPU一直工作不停歇，但同時會導致有序性問題。

在CPU中為了能夠讓指令的執(zhí)行盡可能地同時運行起來，采用了 指令流水線 。一個 CPU 指令的執(zhí)行過程可以分成 4 個階段：取指、譯碼、執(zhí)行、寫回。這 4 個階段分別由 4 個獨立物理執(zhí)行單元來完成。

理想的情況是：指令之間無依賴，可以使流水線的并行度最大化。但是如果兩條指令的前后存在依賴關系，比如數(shù)據(jù)依賴，控制依賴等，此時后一條語句就必需等到前一條指令完成后，才能開始。所以CPU為了提高流水線的運行效率，對無依賴的前后指令做 適當?shù)膩y序和調(diào)度 。

還有一種情況 編譯器會指令重排 ，比如java語言，JVM 的編譯器會對其指令進行重排序的優(yōu)化（ 指令重排 ）。

所謂指令重排是指在不改變原語義的情況下，通過調(diào)整指令的執(zhí)行順序讓程序運行的更快。JVM中并沒有規(guī)定編譯器優(yōu)化相關的內(nèi)容，也就是說JVM可以自由的進行指令重排序的優(yōu)化。

無論是編譯期的指令重排還是 CPU 的亂序執(zhí)行 ，主要都是為了讓 CPU 內(nèi)部的指令流水線可以“填滿”，提高指令執(zhí)行的并行度，充分利用CPU的高性能。

可見性問題

為了平衡CPU的寄存器和內(nèi)存的速度差異，計算機的CPU 增加了高速緩存，但同時導致了 可見性問題。我們知道當程序執(zhí)行時，一般CPU會去從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，來進行計算。CPU計算完之后，需要把數(shù)據(jù)重新放回到內(nèi)存中。

當CPU的多個核心參與一個程序的運行，從內(nèi)存中讀取一個共享變量的數(shù)據(jù)，當不同核心間進行了各自的計算，把計算后的值放入自己的緩存中而不選擇立即寫入內(nèi)存中（CPU寫入內(nèi)存的時機是不確定的）。那么在CPU的緩存中，這個共享變量有可能存放著不同的數(shù)據(jù)，這就導致了緩存的可見性問題。即一個線程對數(shù)據(jù)的修改無法對其他線程可見。

原子性問題

為了平衡CPU 與 I/O 設備的速度差異，操作系統(tǒng)增加了進程、線程概念，以分時復用 CPU，但同時導致了原子性問題。

原子操作就是不可分割的操作，在計算機中，就是指不會因為線程調(diào)度被打斷的操作。

當一個程序去I/O 設備讀取數(shù)據(jù)， 由于I/O 設備數(shù)據(jù)存入讀取速度，相比于CPU的執(zhí)行速度來說度日如年，CPU這么牛逼這么昂貴的寶貝，怎么能讓它歇著，得讓它一直干活，去切換執(zhí)行其他程序。也就是將CPU的時間進行分片，讓各個程序在CPU上輪轉(zhuǎn)執(zhí)行。但被剝奪執(zhí)行權(quán)的程序，等它從IO讀取完數(shù)據(jù)后，還是得讓CPU繼續(xù)執(zhí)行的，這時需要一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存，以便之后恢復繼續(xù)執(zhí)行，這個就是進程。

一開始進程中 只有一個"執(zhí)行流"，干活的人就一個。隨著任務越來越多，發(fā)現(xiàn)進程不夠用了，經(jīng)常導致整個程序被阻塞，這時計算機讓進程有多個執(zhí)行流，干活的人變多了，那程序就不會再被阻塞了，"執(zhí)行流" 就是線程。

如何解決這3個問題，就是并發(fā)、多線程需要處理的事，當然這是后話。

參考資料：

《深入理解計算機系統(tǒng)》

《計算機組成原理》

《計算機組成原理》--唐朔飛

https://zhuanlan.zhihu.com/p/379947484