从CPU层面解释，为什么会有并发问题？

CPU优化导致并发异常的三个问题

1. CPU增加缓存，均衡与内存间的速度差异（可见性问题）：

   • 可见性：一个线程对共享变量的修改，能立刻被其他线程嗅探到。

   • 对于多核设备，每个线程被分配在一个处理器上运行，都有各自的CPU缓存。

   • 又因为同一个进程上的多个线程共享同一块内存空间。

   • 单核理想情况下：线程运算的结果首先进入各自CPU缓存后存入内存，其他线程的CPU缓存嗅探到内存中变量值改变，使自身缓存无效。

   • 但是在并发情况下，多线程同时对共享变量值修改，无法即使刷新入内存，导致实际上运算利用自身CPU缓存值，这就导致可见性问题。

2. 操作系统增加进程和线程，分时复用均衡与I/O间差异（原子性问题）：

   • 进程和线程利用基于时间片控制的多任务切换来提高CPU利用率。
   • 然而高级语言的原子性和底层CPU指令的原子性具有差异：一条高级语言可能由多条CPU指令来执行，如果在完成其中某条CPU指令后进行了线程切换（即到达时间片规定时间），导致语义错误，
   • 例如：在线程A，B中分别对共享变量cnt=0执行cnt+=1操作

     • CPU指令1：将内存中cnt值写入CPU寄存器

     • CPU指令2：在CPU寄存器中进行值+1操作

     • CPU指令3：将CPU寄存器中更新的值写入内存

       

       如图中，线程A中执行指令1，获得cnt=0，然而此时进行了任务切换，B中获得cnt=0，cnt+1,cnt=1存入内存之后再次任务切换，A执行,cnt+1,cnt=1存入内存，语句执行的原子性被打破导致了最终内存中cnt=1，而不是期待的cnt=2。

3. 编译程序优化指令执行次序，高效利用缓存（有序性问题）：

   • 例：双重检查建立单例对象

     public class Singleton {
              
        static Singleton instance;
        static Singleton getInstance(){
              
        if (instance == null) {
              
        synchronized(Singleton.class) {
              
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
          }
        }
        return instance;
        }
     }
     

   • 期望：

     • 使用线程A,B同时调用Singleton类中的getInstance方法时，都会进入第一个if判断发现instance对象为null
     • 此时两个线程进入synchronized修饰的代码块，并且分别将对Singleton的Class对象进行加锁操作，由于互斥性，只有其中一个会加锁成功，获得这个临界区的使用权限。
     • 于是其中一个线程创建新的单例对象instance，并且释放锁，阻塞队列中的第二个线程此时获得该代码块的锁，进入临界区发现已经存在一个instance对象，则不再创建新对象，正常返回。
     • 指令执行顺序：分配地址块，在地址块上创建新的Singleton对象，将该地址指针指向instance

   • 实际上：

     • 指令优化后的执行顺序：分配地址块，将地址块指针指向instance，再给该地址块上创建

     Singleton对象。

     • 指令重排，导致指令2在指令3之后指向，若第一个线程执行完指令2 后发生任务切换，此时第二个线程将会看到 instance!=null 得到一个初始化为完成的Singleton对象，导致空指针异常。