并发编程安全问题：可见性、原子性和有序性

pcChao 发布于2019-08-16 18:23 / 515人阅读

摘要：线程切换带来的原子性问题我们把一个或者多个操作在执行的过程中不被中断的特性称为原子性。编译优化带来的有序性问题顾名思义，有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。

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，称为可见性

在多核下，多个线程同时修改一个共享变量时，如++操作，每个线程操作的CPU缓存写入内存的时机是不确定的。除非你调用CPU相关指令强刷。

线程切换带来的原子性问题

我们把一个或者多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性称为原子性。

高级语言里一条语句往往需要多条CPU指令完成。例如count += 1，至少需要三条CPU指令：

指令1:首先，需要把变量count从内存加载到CPU的寄存器;

指令2:之后，在寄存器中执行+1操作;

指令3:最后，将结果写入内存(缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存)。

操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完，而不是高级语言里的一条语句。

编译优化带来的有序性问题

顾名思义，有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。

public class Singleton {
    static Singleton instance;

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

在new操作上，我们以为的new操作应该是:

分配一块内存M;

在内存M上初始化Singleton对象;

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:

分配一块内存M;

将M的地址赋值给instance变量;

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。

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