一、并发编程幕后的故事
硬件设备发展的核心矛盾：CPU、内存、I/O设备三者间存在的速度差异。随着多核时代的到来，为了充分利用 CPU，引入了缓存、CPU 时间片、编译优化等机制，同时也带来了线程安全问题。
越靠近CPU访问速度越快，同时容量也越小。
- 性能从高到低：CPU>Cache(L1-L2-L3)>内存>SSD硬盘>网卡>机械硬盘
- 容量从低到高：CPU>Cache(L1-L2-L3)>内存>硬盘
二、并发编程问题的源头
CPU执行往往需要访问内存，有些还需要访问硬盘，根据木桶理论，程序整体的性能取决于最慢的操作——读写I/O设备，即单方面提高CPU性能是无效的。为了合理利用CPU的高性能，平衡三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为：
- CPU增加缓存，以均衡和内存的速度差异，但缓存也带来了可见性问题；
- 操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异，但线程切换带来了原子性问题；
- 编译程序优化指令执行顺序，使得缓存能够得到更加合理地利用，但编译优化带来了有序性问题。
1.缓存导致的可见性问题
一个线程对共享变量的修改，另一个线程可以立即看到，称之为可见性。CPU缓存导致了内存可见性问题，在Java中，使用volatile关键字解决可见性问题。
- 单核时代，所有线程在同一CPU上，CPU缓存与内存的数据一致性容易解决；
- 多核时代，每个CPU都有各自的缓存，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存。
2.线程切换带来的原子性问题
一个或者多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性，我们称为原子性。CPU能保证的原子操作是CPU指令级别的，而不是高级语言的操作符。线程切换导致了原子性问题，在 Java中，提供了synchronized关键字解决原子性问题。
**进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位。**早期的操作系统基于进程来调度CPU，不同进程间是不共享内存空间的，所以进程要做任务切换就要切换内存映射地址，而一个进程创建的所有线程，是共享一个内存空间的，所以线程做任务切换成本很低。现代的操作系统都基于更轻量的线程来调度，现在的“任务切换”都是指“线程切换”。
Java并发程序都是基于多线程的，线程切换的时机大多数是在CPU时间片结束时。我们现在基本都使用高级语言编程，高级语言里一条语句往往需要多条 CPU 指令完成，CPU能保证的是原子操作是指令级别的，如 count++，至少需要三条 CPU 指令，所以这个操作不是原子操作。
- 指令 1：把变量count从内存加载到CPU的、寄存器；
- 指令 2：在寄存器中执行 +1 操作；
- 指令 3：将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）。
3.编译优化导致有序性问题
编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。在Java中，提供了happens-before原则来解决有序性问题。
4.总结
其实缓存、线程、编译优化的目的和我们写并发程序的目的是相同的，都是提高程序性能。但是技术在解决一个问题的同时，必然会带来另外一个问题，所以在采用一项技术的同时，一定要清楚它带来的问题是什么，以及如何规避。
