Java 并发学习笔记（一）——原子性、可见性、有序性问题

Chao 发布于2019-08-16 17:17 / 2598人阅读

摘要：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。

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。

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