壓榨CPU性能帶來的問題

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

為了合理利用 CPU 的高性能，同時(shí)盡可能地節(jié)約成本，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)將這些儲(chǔ)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(dǎo)致了計(jì)算機(jī)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(huì)對(duì)指令亂序執(zhí)行或者語言的編譯器會(huì)指令重排 ，讓CPU一直工作不停歇，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)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(shí)運(yùn)行起來，采用了 指令流水線 。一個(gè) CPU 指令的執(zhí)行過程可以分成 4 個(gè)階段：取指、譯碼、執(zhí)行、寫回。這 4 個(gè)階段分別由 4 個(gè)獨(dú)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(guān)系，比如數(shù)據(jù)依賴，控制依賴等，此時(shí)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(yùn)行效率，對(duì)無依賴的前后指令做 適當(dāng)?shù)膩y序和調(diào)度 。

還有一種情況 編譯器會(huì)指令重排 ，比如java語言，JVM 的編譯器會(huì)對(duì)其指令進(jìn)行重排序的優(yōu)化（ 指令重排 ）。

所謂指令重排是指在不改變?cè)Z義的情況下，通過調(diào)整指令的執(zhí)行順序讓程序運(yùn)行的更快。JVM中并沒有規(guī)定編譯器優(yōu)化相關(guān)的內(nèi)容，也就是說JVM可以自由的進(jìn)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(jì)算機(jī)的CPU 增加了高速緩存，但同時(shí)導(dǎo)致了 可見性問題。我們知道當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，一般CPU會(huì)去從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，來進(jìn)行計(jì)算。CPU計(jì)算完之后，需要把數(shù)據(jù)重新放回到內(nèi)存中。

當(dāng)CPU的多個(gè)核心參與一個(gè)程序的運(yùn)行，從內(nèi)存中讀取一個(gè)共享變量的數(shù)據(jù)，當(dāng)不同核心間進(jìn)行了各自的計(jì)算，把計(jì)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(shí)機(jī)是不確定的）。那么在CPU的緩存中，這個(gè)共享變量有可能存放著不同的數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了緩存的可見性問題。即一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)的修改無法對(duì)其他線程可見。

原子性問題

為了平衡CPU 與 I/O 設(shè)備的速度差異，操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程、線程概念，以分時(shí)復(fù)用 CPU，但同時(shí)導(dǎo)致了原子性問題。

原子操作就是不可分割的操作，在計(jì)算機(jī)中，就是指不會(huì)因?yàn)榫€程調(diào)度被打斷的操作。

當(dāng)一個(gè)程序去I/O 設(shè)備讀取數(shù)據(jù)， 由于I/O 設(shè)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(shí)間進(jìn)行分片，讓各個(gè)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(shí)需要一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存，以便之后恢復(fù)繼續(xù)執(zhí)行，這個(gè)就是進(jìn)程。

一開始進(jìn)程中 只有一個(gè)"執(zhí)行流"，干活的人就一個(gè)。隨著任務(wù)越來越多，發(fā)現(xiàn)進(jìn)程不夠用了，經(jīng)常導(dǎo)致整個(gè)程序被阻塞，這時(shí)計(jì)算機(jī)讓進(jìn)程有多個(gè)執(zhí)行流，干活的人變多了，那程序就不會(huì)再被阻塞了，"執(zhí)行流" 就是線程。

如何解決這3個(gè)問題，就是并發(fā)、多線程需要處理的事，當(dāng)然這是后話。

參考資料：

《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

《計(jì)算機(jī)組成原理》

《計(jì)算機(jī)組成原理》--唐朔飛

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