Java 并发学习笔记（一）——原子性、可见性、有序性问题

计算机的 CPU、内存、I/O 设备的速度一直存在较大的差异，依次是 CPU > 内存 > I/O 设备，为了权衡这三者的速度差异，主要提出了三种解决办法：

• CPU 增加了缓存，均衡和内存的速度差异
• 发明了进程、线程，分时复用 CPU，提高 CPU 的使用效率
• 编译指令优化，更好的利用缓存

三种解决办法虽然有效，但是也带来了另外的三个问题，分别就是并发 bug 产生的源头。

1.可见性问题

如果是单核 CPU，多个线程操作的都是同一个 CPU 缓存，那么一个线程修改了共享变量，另一个线程肯定能马上看到。

如果是多核 CPU ，每个 CPU 都有自己的缓存，这样线程对共享变量的修改便对其他线程不可见了。

2.原子性问题

为什么会有线程切换？一个线程在执行的过程中，可能会进行耗时的 I/O 操作，这时线程需要等待 I/O 操作完成。线程在等待的过程中，可以释放 CPU 的使用权，让另一个线程执行，这样能够提高 CPU 的使用率。

例如上图，两个线程同时对变量 count 加 1，线程 A 在执行的过程中切换到了线程 B，最后导致写入到内存的值都是 1，与预期不符。

3.有序性问题

首先看一段很经典的获取单例对象的代码：

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;
     //Java 获取单例对象
    public Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

程序的逻辑是：首先判断 instance 是否为空，如果为空，对其加锁，然后再判断是否为空，此时为空的话则初始化 instance 对象。

如果线程 A 和 B 同时执行方法，在 synchronized 处，一个线程会被阻塞，假设被阻塞的是线程 B，此时线程 A 进入并初始化 instance，然后唤醒线程 B，线程 B 进入的时候，发现 instance 不为空了，所以不会创建对象。

但是因为有序性问题的存在，这段代码也不是想象的那么完美，我们期望的初始化对象的过程是这样的：1.分配内存；2.初始化对象；3.将内存地址赋给 instance。但是经过编译优化之后，却是这样的：

• 1.分配内存
• 2.将内存地址赋给 instance
• 3.在内存上面初始化对象

这样，如果线程 A 执行到了第二步，然后切换到 线程 B，线程 B 就会认为 instance 不为空然后直接返回了，实际上 instance 并没有初始化。

最后，总结一下，导致并发问题的三个源头分别是

• 原子性：一个线程在执行的过程当中不被中断。
• 可见性：一个线程修改了共享变量，另一个线程能够马上看到，就叫做可见性。
• 有序性：编译指令重排导致的问题。