1.1從Hello World說起

目的：從最基本的編譯，靜態(tài)鏈接到操作系統(tǒng)如何轉(zhuǎn)載程序，動態(tài)鏈接及運(yùn)行庫和標(biāo)準(zhǔn)庫的實(shí)現(xiàn)，和一些操作系統(tǒng)的機(jī)制。了解計(jì)算機(jī)上程序運(yùn)行的一個基本脈絡(luò)。

1.2變不離其宗

計(jì)算機(jī)最關(guān)鍵的三個部分：CPU,內(nèi)存,I/O控制芯片。

• 早期的計(jì)算機(jī)：沒有復(fù)雜的圖形功能，CPU和內(nèi)存頻率一樣，都連接在同一個總線上。
• CPU頻率提升：內(nèi)存跟不上CPU，產(chǎn)生了和內(nèi)存頻率一致的系統(tǒng)總線，CPU使用倍頻的方式和總線通信。
• 圖形界面的出現(xiàn)：圖形芯片需要和內(nèi)存和CPU大量交換數(shù)據(jù)，慢速的I/O總線無法滿足圖形設(shè)備的巨大需求。為了高效處理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一個高速的北橋芯片。后來有設(shè)計(jì)處理低速處理設(shè)備南橋芯片，磁盤，USB，鍵盤都是連接在南橋上。在由南橋?qū)⑺鼈儏R總到北橋上。

北橋

• 北橋左邊CPU和cache：CPU負(fù)責(zé)所有控制和運(yùn)算。
• 北橋下面PCI總線
• 北橋右邊memory

SMP和多核

現(xiàn)在CPU已經(jīng)達(dá)到物理極限，被4GHz所限制，于是，開始通過增加CPU數(shù)量來提高計(jì)算機(jī)速度。
對稱多處理器（SMP）：最常見的一種形式。每個CPU在系統(tǒng)中所處的地位和所發(fā)揮的功能是一樣，是相互對稱的。但在處理程序時，我們并不能把他們分成若干個不相干的子問題，所以，使得多處理器速度實(shí)際提高得并沒有理論上那么高。當(dāng)對于相互獨(dú)立的問題，多處理器就能最大效能的發(fā)揮威力了（比如：大型數(shù)據(jù)庫,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等）。
對處理器由于造價比較高昂，主要用在商用電腦上，對于個人電腦，主要是多核處理器。
多核處理器：其實(shí)際上是(SMP)的簡化版，思想是將多個處理器合并在一起打包出售，它們之間共享比較昂貴的緩存部件，只保留了多個核心。在邏輯上看，它們和SMP完全相同。

1.3站得高,看得遠(yuǎn)

系統(tǒng)軟件：一般用于管理計(jì)算機(jī)本地的軟件。

主要分為兩塊：

• 平臺性的：操作系統(tǒng)內(nèi)核，驅(qū)動程序，運(yùn)行庫。
• 程序開發(fā)：編譯器，匯編器，鏈接器。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)采用一種層的結(jié)構(gòu)。
每個層次之間都需要相互通信，那么它們之間就有通信協(xié)議，我們將它稱為接口，接口下層是提供者，定義接口。上層是使用者，使用接口實(shí)現(xiàn)所需功能。
除了硬件和應(yīng)用程序，其他的都是中間層，每個中間層都是對它下面的那層的包裝和擴(kuò)展。它們使得應(yīng)用程序和硬件之間保持相對獨(dú)立。
從整個層次結(jié)構(gòu)來看，開發(fā)工具與應(yīng)用程序?qū)儆谕粋€層次，因?yàn)樗鼈兌际褂猛粋€接口—操作系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口。應(yīng)用程序接口提供者是運(yùn)行庫，什么樣的運(yùn)行庫提供什么樣的接口。winsows的運(yùn)行庫提供Windows API，Linux下的Gliba庫提供POSIX的API。
運(yùn)行庫使用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口。
系統(tǒng)調(diào)用接口在實(shí)現(xiàn)中往往以軟件中斷的方式提供。
操作系統(tǒng)內(nèi)核層對于硬件層來說是硬件接口的使用者，而硬件是接口的定義者。這種接口叫做硬件規(guī)格。

1.4操作系統(tǒng)做了什么

操作系統(tǒng)的一個功能是提供抽象的接口，另外一個主要功能是管理硬件資源。
一個計(jì)算機(jī)中的資源主要分CPU,存儲器（包括內(nèi)存和磁盤）和I/O設(shè)備。下面從這3個方面來看如何挖機(jī)它們。

1.4.1不要讓CPU打盹

多道程序：編譯一個監(jiān)控程序，當(dāng)程序不需要使用CPU時，將其他在等待CPU的程序啟動。但它的弊端是不分輕重緩急，有時候一個交互操作可能要等待數(shù)十分鐘。
改進(jìn)后
分時系統(tǒng)：每個CPU運(yùn)行一段時間后，就主動讓出給其他CPU使用。完整的操作系統(tǒng)雛形在此時開始出現(xiàn)。但當(dāng)一個程序死機(jī)的時候，無法主動讓出CPU，那么，整個系統(tǒng)都無法響應(yīng)。
目前操作系統(tǒng)采用的方式
多任務(wù)系統(tǒng)：操作系統(tǒng)接管了所有的硬件資源，并且本身運(yùn)行在一個受硬件保護(hù)的級別。所有的應(yīng)用都以進(jìn)程的方式運(yùn)行在比操作系統(tǒng)更低的級別，每個進(jìn)程都有自己獨(dú)立的地址空間，使得進(jìn)程之間的地址空間相互隔離。CPU由操作系統(tǒng)進(jìn)行同一分配，每個進(jìn)程根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級的高低都有機(jī)會獲得CPU，但如果運(yùn)行超過一定的時間，CPU會將資源分配給其他進(jìn)程，這種CPU分配方式是搶占式。如果操作系統(tǒng)分配每個進(jìn)程的時間很短，就會造成很多進(jìn)程都在同時運(yùn)行的假象，即所謂的宏觀并行，微觀串行。

設(shè)備驅(qū)動

操作系統(tǒng)作為硬件層的上層，它是對硬件的管理和抽象。
對于操作系統(tǒng)上面的運(yùn)行庫和應(yīng)用程序來說，它們只希望看到一個統(tǒng)一的硬件訪問模式。
當(dāng)成熟的操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，硬件逐漸成了抽象的概念。在UNIX中，硬件設(shè)備的訪問形式和訪問普通的文件形式一樣。在Windows系統(tǒng)中，圖形硬件被抽象成GDI，聲音和多媒體設(shè)備被抽象成DirectX對象，磁盤被抽象成普通文件系統(tǒng)。
這些繁瑣的硬件細(xì)節(jié)全都交給了操作系統(tǒng)中的硬件驅(qū)動。
文件系統(tǒng)管理這磁盤的存儲方式。
磁盤的結(jié)構(gòu)：一個硬盤往往有多個盤片，每個盤片分兩面，每面按照同心圓劃分為若干磁道，每個磁道劃分為若干扇區(qū)，每個扇區(qū)一般512字節(jié)。
LBA：整個硬盤中所有扇區(qū)從0開始編號，一直到最后一個扇區(qū)，這個扇區(qū)編號叫做邏輯扇區(qū)號。
文件系統(tǒng)保存了這些文件的存儲結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)維護(hù)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且保證磁盤中的扇區(qū)能有效的組織和利用。

1.5內(nèi)存不夠怎么辦

在早期計(jì)算機(jī)中，程序是直接運(yùn)行在物理內(nèi)存上的，程序所訪問的都是物理地址。
那么如何將計(jì)算機(jī)有限的地址分配給多個程序使用。
直接按物理內(nèi)存分配將產(chǎn)生很多問題：

• 地址空間不隔離：所有的程序都直接訪問物理地址，導(dǎo)致程序使用的物理地址不是相互隔離的，惡意的程序很容易串改其他程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)。
• 內(nèi)存使用效率低：由于沒有有效的內(nèi)存管理機(jī)制，通常一個程序執(zhí)行的時候，監(jiān)控程序要將整個程序讀入。內(nèi)存不夠的時候，需要先將內(nèi)存中的程序讀出，保存在硬盤上，才能將需要運(yùn)行的程序讀入。這樣會使得整個過程有大量數(shù)據(jù)換入換出。
• 程序運(yùn)行地址不確定：每次程序運(yùn)行都需要內(nèi)存分配一塊足夠大的內(nèi)存空間，使得這個地址是不確定的。但在程序編寫的時候，他訪問的數(shù)據(jù)和指令跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址都是固定的，這就涉及到了程序的重定向問題。

一種解決辦法：
中間層：使用一種間接的地址訪問方法，我們把程序給出的地址看作一種虛擬地址。虛擬地址是物理地址的映射，只要處理好這個過程，就可以起到隔離的作用。

1.5.1關(guān)于隔離

普通的程序它只需要一個簡單的執(zhí)行環(huán)境，一個單一的地址空間，有自己的CPU。
地址空間比較抽象，如果把它想象成一個數(shù)組，每一個數(shù)組是一字節(jié)，數(shù)組大小就是地址空間的長度，那么32位的地址空間大小就是2^32=4294967296字節(jié)，即4G，地址空間有效位是0x00000000~0xFFFFFFFF。
地址空間分為兩種：
物理空間：就是物理內(nèi)存。32位的機(jī)器，地址線就有32條，物理空間4G，但如果值裝有512M的內(nèi)存，那么實(shí)際有效的空間地址就是0x00000000~0x1FFFFFFF，其他部分都是無效的。
虛擬空間：每個進(jìn)程都有自己獨(dú)立的虛擬空間，而且每個進(jìn)程只能訪問自己的空間地址，這樣就有效的做到了進(jìn)程隔離。

1.5.2分段

基本思路：把一段與程序所需要的內(nèi)存空間大小的虛擬空間映射到某個地址空間。虛擬空間的每個字節(jié)對應(yīng)物理空間的每個字節(jié)。這個映射過程由軟件來完成。
分段的方式可以解決之前的第一個（地址空間不隔離）和第三個問題（程序運(yùn)行地址不確定）
第二問題內(nèi)存使用效率問題依舊沒有解決。

1.5.3分頁

基本方法：把地址空間人為的分成固定大小的頁，每一頁大小有硬件決定或硬件支持多種大小的頁，由操作系統(tǒng)決定頁的大小。
目前幾乎所有的PC上的操作系統(tǒng)都是4KB大小的頁。
我們把進(jìn)程的虛擬地址空間按頁分割，把常用的數(shù)據(jù)和代碼頁轉(zhuǎn)載到內(nèi)存中，把不常用的代碼和數(shù)據(jù)保存到磁盤里，當(dāng)需要的時候從磁盤取出來。
虛擬空間的頁叫做虛擬頁（VP）,物理內(nèi)存中頁叫做物理頁，把磁盤中的頁叫做磁盤頁。虛擬空間的有的頁被映射到同一個物理頁，這樣就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享。
當(dāng)進(jìn)程需要一個頁時，這個頁是磁盤頁時，硬件會捕獲到這個消息，就是所謂的頁錯誤，然后操作系統(tǒng)接管進(jìn)程，負(fù)責(zé)從磁盤中讀取內(nèi)容裝入內(nèi)存中，然后再將內(nèi)存和這個頁建立映射關(guān)系。
保護(hù)也是頁映射的目的之一，每個頁都可以設(shè)置權(quán)限屬性，只有操作系統(tǒng)可以修改這些屬性，這樣操作系統(tǒng)就可以保護(hù)自己保護(hù)進(jìn)程。
虛擬存儲的實(shí)現(xiàn)需要依靠硬件支持，所有硬件都采用一個叫做MMU的部件來進(jìn)行頁映射。
CPU發(fā)出虛擬地址經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)換成物理地址，MMU一般都集成在CPU內(nèi)部。

1.6眾人拾柴火焰高

1.6.1線程基礎(chǔ)

多線程現(xiàn)在作為實(shí)現(xiàn)軟件并發(fā)執(zhí)行的一個重要方法，具有越來越重的地位。

什么是線程

線程有時被稱為輕量級的進(jìn)程，是程序執(zhí)行流的最小單位。

構(gòu)成：

• 線程ID
• 當(dāng)前指令指針
• 寄存器集合
• 堆棧空間（代碼段，數(shù)據(jù)段，堆）
• 進(jìn)程級的資源（打開文件和信號）

線程與進(jìn)程的關(guān)系：

多線程可以互不干擾的并發(fā)執(zhí)行，并共享進(jìn)程的全局變量和堆的數(shù)據(jù)。
使用多線程的原因有如下幾點(diǎn)：

• 某個操作可能會陷入長時間等待，等待的線程會進(jìn)入睡眠狀態(tài)，無法繼續(xù)執(zhí)行。
• 某個操作會消耗大量的時間，如果只有一個線程，程序和用戶之間的交互會中斷。
• 程序邏輯本身就要求并發(fā)操作。
• 多CPU或多核計(jì)算機(jī)，本身具備同時執(zhí)行多個線程的能力。
• 相對于多進(jìn)程應(yīng)用，多線程在數(shù)據(jù)共享方面效率要高很多。

線程的訪問權(quán)限

線程的訪問非常自由，它可以訪問進(jìn)程內(nèi)存里所有數(shù)據(jù)，包括其他線程的堆棧（如果知道地址的話，情況很少見）。
線程自己的私用存儲空間：

• 棧（并發(fā)完全無法被其他線程訪問）
• 線程局部存儲。某些操作系統(tǒng)為線程提供私用空間，但容量有限。
• 寄存器。執(zhí)行流的基本數(shù)據(jù)，為線程私用。

線程調(diào)度與優(yōu)先級

不論在多處理器還是單處理器上，線程都是“并發(fā)”的。
線程數(shù)量小于處理器數(shù)量時，是真正并發(fā)的。
單處理器下，并發(fā)是模擬的，操作系統(tǒng)會讓這些多線程程序輪流執(zhí)行，每次都只執(zhí)行一小段時間，這就稱為線程調(diào)度。
線程調(diào)度中，線程擁有三種狀態(tài)：

• 運(yùn)行：線程正在執(zhí)行
• 就緒：線程可以立刻運(yùn)行，但CPU被占用
• 等待：線程正在等待某一事件發(fā)生，無法立即執(zhí)行。

處于運(yùn)行中的線程擁有一段可以執(zhí)行的時間，這稱為時間片，當(dāng)時間片用盡的時候，進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)，如果在用盡之前開始等待某事件，那么它就進(jìn)入等待狀態(tài)。每當(dāng)一個線程離開運(yùn)行狀態(tài)的時候，調(diào)度系統(tǒng)就會選擇一個其他的就緒線程繼續(xù)執(zhí)行。

現(xiàn)在的主流調(diào)度方法盡管都不一樣，但基本都帶有優(yōu)先級調(diào)度和輪轉(zhuǎn)法。
輪轉(zhuǎn)法：各個線程輪流執(zhí)行一段時間。
優(yōu)先級調(diào)度：按線程的優(yōu)先級來輪流執(zhí)行，每個線程都擁有各自的線程優(yōu)先級。
在win和lin里面，線程優(yōu)先級不僅可以由用戶手動設(shè)置，系統(tǒng)還會根據(jù)不同線程表現(xiàn)自動調(diào)整優(yōu)先級。
一般頻繁等待的線程稱之為IO密集型線程，而把很少等待的線程稱為CPU密集型線程。
優(yōu)先級調(diào)度下，存在一種餓死現(xiàn)象。
餓死：線程優(yōu)先級較低，在它執(zhí)行之前，總是有較高級的線程要執(zhí)行，所以，低優(yōu)先級線程總是無法執(zhí)行的。
當(dāng)一個CPU密集型線程獲得較高優(yōu)先級時，許多低優(yōu)先級線程就可能被餓死。
為了避免餓死，操作系統(tǒng)常常會逐步提升那些等待時間過長的線程。
線程優(yōu)先級改變一般有三種方式：

• 用戶指定優(yōu)先級
• 根據(jù)進(jìn)入等待狀態(tài)的頻繁程度提升或降低優(yōu)先級
• 長時間得不到執(zhí)行而被提升優(yōu)先級

可搶占線程和不可搶占線程

搶占：在線程用盡時間片之后被強(qiáng)制剝奪繼續(xù)執(zhí)行的權(quán)利，而進(jìn)入就緒狀態(tài)。
在早期的系統(tǒng)中，線程是不可搶占的，線程必須主動進(jìn)入就緒狀態(tài)。
在不可搶占線程中，線程主動放棄主要是2種：

• 當(dāng)線程試圖等待某個事件（I/O）時
• 線程主動放棄時間片

不可搶占線程有一個好處，就是線程調(diào)度只會發(fā)生在線程主動放棄執(zhí)行或線程等待某個事件的時候，這樣就可以避免一些搶占式線程時間不確定而產(chǎn)生的問題。

Linux的多線程

Linux內(nèi)核中并不存在真正意義上的線程概念。Linux所有執(zhí)行實(shí)體（線程和進(jìn)程）都稱為任務(wù)，每一個任務(wù)概念上都類似一個單線程的進(jìn)程，具有內(nèi)存空間，執(zhí)行實(shí)體，文件資源等。Linux不同任務(wù)之間可以選擇共享內(nèi)存空間，相當(dāng)于同一個內(nèi)存空間的多個任務(wù)構(gòu)成一個進(jìn)程，這些任務(wù)就是進(jìn)程中的線程。

fork產(chǎn)生新任務(wù)速度非常快，因?yàn)閒ork不復(fù)制原任務(wù)的內(nèi)存空間，而是和原任務(wù)一起共享一個寫時復(fù)制的內(nèi)存空間。

寫時復(fù)制：兩個任務(wù)可以同時自由讀取內(nèi)存，當(dāng)任意一個任務(wù)試圖對內(nèi)存進(jìn)行修改時，內(nèi)存就會復(fù)制一份單獨(dú)提供給修改方使用。
fork只能夠產(chǎn)生本任務(wù)的鏡像，因此需要和exec配合才能啟動別的新任務(wù)。
而如果要產(chǎn)生新線程，則使用clone。
clone可以產(chǎn)生一個新的任務(wù)，從指定位置開始執(zhí)行，并且共享當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)存空間和文件等，實(shí)際效果就是產(chǎn)生一個線程。

1.6.2線程安全

多線程程序處于一個多變的環(huán)境中，可訪問的全局變量和堆數(shù)據(jù)隨時都可能被其他的線程改變。因此多線程程序在并發(fā)時數(shù)據(jù)的一致性變得非常重要。

競爭與原子操作

++i的實(shí)現(xiàn)方法：

• 讀取i到某個寄存器X
• X++
• 將X的內(nèi)容存儲回i
  單條指令的操作稱為原子的，單挑指令的執(zhí)行不會被打斷。在windows里，有一套API專門進(jìn)行一些原子操作，這些API稱為Interlocked API。

同步與鎖

為了防止多個線程讀取同一個數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可預(yù)料結(jié)果，我們將各個線程對一個數(shù)據(jù)的訪問同步。
同步：在一個線程對一個數(shù)據(jù)訪問結(jié)束的時候，其他線程不能對同一個數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。對數(shù)據(jù)的訪問被原子化。
鎖：鎖是一種非強(qiáng)制機(jī)制，每一個線程在訪問數(shù)據(jù)或者資源之前會先獲取鎖，在訪問結(jié)束后會釋放鎖。在鎖被占用時候試圖獲取鎖時，線程會等待，知道鎖可以重新使用。
二元信號量：最簡單的鎖，它適合只能被唯一一個線程獨(dú)占訪問的資源，它的兩種狀態(tài)：

• 非占用狀態(tài)：第一個獲取該二元信號量的線程會獲得該鎖，并將二元信號量置為占用狀態(tài)，其他所有訪問該二元信號量線程將會等待。
• 占用狀態(tài)

信號量：允許多個線程并發(fā)訪問的資源。一個初始值為N的信號量允許N個線程并發(fā)訪問。
操作如下：

• 將信號量值鍵1
• 如果信號量值小于0，就進(jìn)入等待狀態(tài)。

訪問完資源后，線程釋放信號量：

• 將信號量加1
• 如果信號量的值小于1，喚醒一個等待中的線程。

互斥量：和二元信號量很類似，但和信號量不同的是：信號量在一個系統(tǒng)中，可以被任意線程獲取或釋放。互斥量要求那個線程獲取互斥量，那么哪個線程就釋放互斥量，其他線程釋放無效。
臨界區(qū)：比互斥量更加嚴(yán)格的手段。把臨界區(qū)的鎖獲取稱為進(jìn)入臨界區(qū)，而把鎖的釋放稱為離開臨界區(qū)。臨界區(qū)和互斥量，信號量區(qū)別在與互斥量，信號量在系統(tǒng)中任意進(jìn)程都是可見的。臨界區(qū)的作用范圍僅限于本線程，其他線程無法獲取。其他性質(zhì)與互斥量相同。
讀寫鎖：致力于一種更加特定的場合的同步。如果使用之前使用的信號量、互斥量或臨界區(qū)中的任何一種進(jìn)行同步，對于讀取頻繁，而僅僅是偶爾寫入的情況會顯得非常低效。讀寫鎖可以避免這個問題。對于同一個鎖，讀寫鎖有兩種獲取方式：

• 共享的
• 獨(dú)占的

讀寫鎖的總結(jié)

條件變量：作為同步的手段，作用類似于一個柵欄。對于條件變量，線程有兩個操作：

• 線程可以等待條件變量，一個條件變量可以被多個線程等待
• 線程可以喚醒條件變量，此時某個或所有等待此條件變量的線程都會被喚醒并繼續(xù)支持

使用條件變量可以讓許多線程一起等待某個事件的發(fā)生，當(dāng)事件發(fā)生時，所有線程可以一起恢復(fù)執(zhí)行。

可重入與線程安全

一個函數(shù)被重入，表示這個函數(shù)沒有執(zhí)行完成，由于外部因素或內(nèi)部調(diào)用，又一次進(jìn)入該函數(shù)執(zhí)行。
一個函數(shù)要被重入，只有兩種情況：

• 多個線程同時執(zhí)行這個函數(shù)
• 函數(shù)自身（可能經(jīng)過多層調(diào)用之后）調(diào)用自身

一個函數(shù)被稱為可重入，表示重入之后不會產(chǎn)生任何不良影響

可重入函數(shù)：

一個函數(shù)要成為可重入，必須具有如下特點(diǎn)：

• 不使用任何（局部）靜態(tài)或全局的非const變量
• 不返回任何（局部）靜態(tài)或全部的非const變量的指針
• 僅依賴調(diào)用方提供的參數(shù)
• 不依賴任何單個資源的鎖
• 不調(diào)用任何不可重入的函數(shù)

可重入是并發(fā)安全的強(qiáng)力保障，一個可重入的函數(shù)可以在多程序環(huán)境下方向使用

過度優(yōu)化

有時候合理的合理的使用了鎖也不一定能保證線程的安全。

上面X的值應(yīng)該為2，但如果編譯器為了提高X的訪問速度，把X放到了某個寄存器里面，不同線程的寄存器是各自獨(dú)立的，因此，如果Thread1先獲得鎖，則程序的執(zhí)行可能會呈現(xiàn)如下：
[Thread1]讀取x的值到某個寄存器R [1] (R[1]=0);
[Thread1]R[1]++(由于之后可能要訪問到x,所以Thread1暫時不將R[1]寫回x);
[Thread2]讀取x的值到某個寄存器R[2] (R[2]=0);
[Thread2]R[2]++(R[2]=1);
[Thread2]將R[2]寫回至x(x=1);
[Thread1] (很久以后)將R[1]寫回至x(x=1);
如果這樣，即使加鎖也不能保證線程安全

上面代碼有可能發(fā)生r1=r2=0的情況。
CPU動態(tài)調(diào)度：在執(zhí)行程序的時候，為了提高效率有可能交換指令的順序。
編譯器在進(jìn)行優(yōu)化的時候，也可能為了效率交換兩個毫不相干的相鄰指令的執(zhí)行順序。
上面代碼執(zhí)行順序可能是這樣：

使用volatile關(guān)鍵字可以阻止過度優(yōu)化，colatile可以做兩件事情：

• 阻止編譯器為了提高速度將一個變量緩存到寄存器內(nèi)而不寫回
• 阻止編譯器調(diào)整操作volatile變量的指令順序

但volatile無法阻止CPU動態(tài)調(diào)度換序
C++中，單例模式。

CPU的亂序執(zhí)行可能會對上面代碼照成影響
C++里的new包含兩個步驟：

• 分配內(nèi)存
• 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)

所以pInst=new T包含三個步驟：

• 分配內(nèi)存
• 在內(nèi)存的位置上調(diào)用構(gòu)造函數(shù)
• 將內(nèi)存的地址賦值給pInst

這三步中2和3的步驟可以顛倒，可能出現(xiàn)這種情況：pInst中的值不是NULL，但對象還是沒有構(gòu)造完成。
要阻止CPU換序，可以調(diào)用一條指令，這條指令常常被稱為barrier：它會阻止CPU將該指令之前的指令交換到barrier之后。
許多體系的CPU都提供了barrier指令，不過，它們的名稱各不相同。例如POWERPC提供的指令就叫做lwsync。所以我們可以這樣保證線程安全：

1.6.3多線程的內(nèi)部情況

線程的并發(fā)執(zhí)行是由多處理器或操作系統(tǒng)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)的。windows和linux都在內(nèi)核中提供線程支持，有多處理器或調(diào)度來實(shí)現(xiàn)并發(fā)。用戶實(shí)際使用線程并不是內(nèi)核線程，而是存在于用戶態(tài)的用戶線程。用戶線程并不一定在操作系統(tǒng)內(nèi)核里對應(yīng)同等數(shù)量的內(nèi)核線程。對用戶來說，如果有三個線程同時執(zhí)行，可能在內(nèi)核中只有一個線程。

一對一模型

對于直接支持線程的系統(tǒng)，一對一模型始終是最為簡單的模型。一個用戶使用的線程就唯一對應(yīng)一個內(nèi)核使用的線程，但返回來，一個內(nèi)核里面的線程在用戶態(tài)不一定有對應(yīng)的線程存在。

對于一對一模型，線程之間的并發(fā)是真正的并發(fā)，一個線程因?yàn)槟硞€原因阻塞，并不會影響到其他線程。一對一模型也可以讓多線程程序在多處理器的系統(tǒng)上有更好的表現(xiàn)。
一般直接使用API或者系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建的線程均為一對一線程。
一對一線程的兩個缺點(diǎn)：

• 由于許多操作系統(tǒng)限制了內(nèi)核線程數(shù)量，因此一對一線程會讓用戶的線程數(shù)量受到限制。
• 許多操作系統(tǒng)內(nèi)核線程調(diào)度是，上下文切換的開銷較大，導(dǎo)致用戶線程的執(zhí)行效率下降。

多對一模型

多對一模型將多個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程上，線程之間的切換由用戶態(tài)的代碼來進(jìn)行，相對于一對一模型，多對一模型的線程切換要快速許多。

多對一模型的問題就是如果一個用戶線程阻塞了，那么所有的線程都將無法執(zhí)行。在多處理系統(tǒng)上，處理器的增多對多對一模型的線程性能不會有明顯幫助。多對一模型得到的好處是高效的上下文切換和幾乎無限制的線程數(shù)量。

多對多模型

多對多模型結(jié)合了多對一和一對一的特點(diǎn)，將多個用戶線程映射到少數(shù)但不止一個內(nèi)核線程上。

一個用戶線程阻塞并不會使得所有的用戶線程阻塞。并且對用戶線程數(shù)量也沒有什么限制，在多處理器系統(tǒng)上，多對多模型的線程也能得到一定的性能提升，不過提升的幅度沒有一對一模型高。