可见性、原子性和有序性问题：并发编程Bug的源头

核心矛盾：CPU、IO、内存三者之间的速度差异。

为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，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：

1.CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；

2.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；

3.编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。

缓存导致的可见性问题

一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，我们称为可见性。

有必要提一下的是，一个线程如何修改共享变量？

线程有自己的工作内存，可概称为栈（出自《深入理解java虚拟机》第二版，12.3.1 主内存与工作内存），而你的数据是存在主存中的，线程修改数据时先从主存中拷贝你的数据复制到自己的内存中修改，然后写回主存。

如果两个线程同时做上述操作，就引发了可见性问题。

线程切换带来的原子性问题

所谓的原子性问题即原子操作，即不会被线程调度机制打断的操作。

比如这个样子

在一个时间片内，如果一个进程进行一个 IO 操作，例如读个文件，这个时候该进程可以把自己标记为“休眠状态”并出让 CPU 的使用权，待文件读进内存，操作系统会把这个休眠的进程唤醒，唤醒后的进程就有机会重新获得 CPU 的使用权了。

这里的进程在等待 IO 时之所以会释放 CPU 使用权，是为了让 CPU 在这段等待时间里可以做别的事情，这样一来 CPU 的使用率就上来了；此外，如果这时有另外一个进程也读文件，读文件的操作就会排队，磁盘驱动在完成一个进程的读操作后，发现有排队的任务，就会立即启动下一个读操作，这样 IO 的使用率也上来了。

是不是很简单的逻辑？但是，虽然看似简单，支持多进程分时复用在操作系统的发展史上却具有里程碑意义，Unix 就是因为解决了这个问题而名噪天下的。

编译优化带来的有序性问题

例如java双重检查锁

 1 public class Singleton {

 2   static Singleton instance;

 3   static Singleton getInstance(){

 4     if (instance == null) {

 5       synchronized(Singleton.class) {

 6         if (instance == null)

 7           instance = new Singleton();

 8         }

 9     }

10     return instance;

11   }

12 }

假设有两个线程 A、B 同时调用 getInstance() 方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对 Singleton.class 加锁，此时 JVM 保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程 A），另外一个线程则会处于等待状态（假设是线程 B）；线程 A 会创建一个 Singleton 实例，之后释放锁，锁释放后，线程 B 被唤醒，线程 B 再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，加锁成功后，线程 B 检查 instance == null 时会发现，已经创建过 Singleton 实例了，所以线程 B 不会再创建一个 Singleton 实例。

这看上去一切都很完美，无懈可击，但实际上这个 getInstance() 方法并不完美。问题出在哪里呢？

出在 new 操作上，我们以为的 new 操作应该是：

1.分配一块内存 M；

2.在内存 M 上初始化 Singleton 对象；

3.然后 M 的地址赋值给 instance 变量。

但是实际上优化后的执行路径却是这样的：

1.分配一块内存 M；

2.将 M 的地址赋值给 instance 变量；

3.最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象。

优化后会导致什么问题呢？我们假设线程 A 先执行 getInstance() 方法，当执行完指令 2 时恰好发生了线程切换，切换到了线程 B 上；如果此时线程 B 也执行 getInstance() 方法，那么线程 B 在执行第一个判断时会发现 instance != null ，所以直接返回 instance，而此时的 instance 是没有初始化过的，如果我们这个时候访问 instance 的成员变量就可能触发空指针异常。

课后思考

常听人说，在 32 位的机器上对 long 型变量进行加减操作存在并发隐患，到底是不是这样呢？

long类型64位，所以在32位的机器上，对long类型的数据操作通常需要多条指令组合出来，无法保证原子性。

摘自极客时间王宝令老师的课程

巴特西

java并发编程实战《一》可见性、原子性和有序性

可见性、原子性和有序性问题：并发编程Bug的源头

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