一、併發與高併發概念

併發：同時有多個執行緒，【交替】被CPU執行。

高併發：保證系統能同時並行處理很多請求的【設計】。

可以看到，當談論併發的時候，我們關注的是多個執行緒操作相同的資源時，如何保證執行緒安全，合理利用資源；而談論高併發時，我們關注的是如果系統在短時間內遇到大量請求（比如淘寶雙十一），那麼我們如何提高系統的效能（包括硬體、網路、系統架構、開發語言等等）。

二、CPU多級快取

（1）主存、快取記憶體、CPU核心的關係

之所以需要快取，是因為主存跟不上CPU頻率，所以CPU常常等待主存，而cache就是緩解這種速度間的不匹配問題。

（2）CPU多級快取之快取一致性（MESI）

快取一致性（MESI）是為了保證CPU多級快取的共享一致性。

MESI定義了四種狀態，也就是CPU對四種操作產生不一致的狀態。快取控制器監聽到本地操作和遠端操作的時候，需要對cache做出修改，從而保證資料在cache之間的一致性。

M：modified被修改。該快取行只被快取在CPU的快取中，並且是被修改過的，因此它與主存中的資料是不一致的，該快取行的記憶體需要在某個時間點寫回主存，這個時間點是允許其他CPU讀取主內相應的記憶體之前。當這裡的值被寫回主存之後，該快取行會變成E狀態。

E：exclusive獨享。該快取行只被快取在該CPU快取中，是未被修改過的，與主存中資料一致的。這個狀態可以在任何時刻，當有其他CPU讀取該快取行時，變成S狀態。當CPU修改該快取行內容時，該狀態可以變成

S：shared共享。該快取行可能被多個CPU快取，並且各個快取的資料和主存的資料一致，當有一個CPU修改該快取行的時候，其他CPU從該快取行是可以被作廢的，變成I狀態。

I：invalid無效的。這個快取是無效的，可能是其他CPU修改了該快取。

四種操作：

Local read：讀本地快取中的資料

Local write：將資料寫到本地的快取中

Remote read：將記憶體的資料讀取過來

Remote write：將資料寫回到主存中

在一個有多核的系統中，每一個核都有自己的快取來共享主存匯流排，每個CPU會發出讀寫請求，而快取的目的是為了減少CPU讀寫共享主存的次數。

一個快取除了在I狀態之外都可以滿足

一個寫請求只有在M或E狀態下才能執行。如果處在S狀態，必須先將該快取中快取行變成I狀態。通常通過廣播方式執行。不允許多個CPU修改同一個快取行，即使修改該快取行不同的資料也是不允許的。

一個處於M狀態的快取行，必須監聽所有試圖讀快取行的操作，這種操作必須在快取將快取行寫回到主存，並將狀態變回S狀態之前被延遲執行。

一個處於S狀態的快取行，也必須監聽其他快取使改快取行無效或者獨享該快取行的請求並將快取行變成無效。

一個處於E狀態的快取行，要監聽其他快取讀快取中該快取行的操作，一旦有該快取行的操作，它就會變成S狀態。

對於M和E兩種狀態而言，資料總是精確的，和快取行的真正狀態是一致的，S狀態可能是非一致的，如果一個快取將處於S狀態的快取行作廢，另一個快取可能已經獨享了該快取行，但是該快取卻不會將快取行升為E狀態，因為其他快取不會廣播它們作廢掉該快取行的通知。由於快取並沒有儲存該快取行的copy數量，因此也沒辦法確定自己是否獨享了該快取行。

E更像一個投機性的優化，因為一個CPU想修改一個S狀態的快取行，匯流排事務需要將所有該快取行copy的值變成I狀態，但修改E狀態的快取，卻不需要匯流排事務。

接下來，我們一起看一下CPU多級快取的亂序執行優化。

（3）CPU多級快取之亂序執行優化

它的意思就是說，CPU為了提高運算速度打亂了程式碼的執行順序。

比如：

這裡就有兩種執行順序：a.將a賦值為2，再將b賦值為3，最後計算a*b；b.將b賦值為3，再將a賦值為2，最後計算a*b，在單核單執行緒是沒有問題，但是多核或者多執行緒就會出現問題。

比如我們在一個核上執行寫入操作，然後在操作最後寫一個標記來表示之前的資料已經準備好了，然後我們從另外一個核上通過判斷這個標記，來判定需要的資料是否已經就緒。那如果考慮到上面說的亂序執行優化，這種做法就存在一定風險，比如標記先被寫入，但是之前的操作並未完成，也就是這個值沒有被寫入。

這就是資料不安全，也就是我們後面要說的併發情況下，如何保證執行緒安全。