Java 併發學習筆記（一）——原子性、可見性、有序性問題

計算機的 CPU、內存、I/O 設備的速度一直存在較大的差別，依次是 CPU > 內存 > I/O 設備，爲了權衡這三者的速度差別，主要提出了三種解決辦法：

• CPU 增長了緩存，均衡和內存的速度差別
• 發明了進程、線程，分時複用 CPU，提升 CPU 的使用效率
• 編譯指令優化，更好的利用緩存

三種解決辦法雖然有效，可是也帶來了另外的三個問題，分別就是併發 bug 產生的源頭。

1.可見性問題

若是是單核 CPU，多個線程操做的都是同一個 CPU 緩存，那麼一個線程修改了共享變量，另外一個線程確定能立刻看到。

若是是多核 CPU ，每一個 CPU 都有本身的緩存，這樣線程對共享變量的修改便對其餘線程不可見了。

2.原子性問題

爲何會有線程切換？一個線程在執行的過程當中，可能會進行耗時的 I/O 操做，這時線程須要等待 I/O 操做完成。線程在等待的過程當中，能夠釋放 CPU 的使用權，讓另外一個線程執行，這樣可以提升 CPU 的使用率。

例如上圖，兩個線程同時對變量 count 加 1，線程 A 在執行的過程當中切換到了線程 B，最後致使寫入到內存的值都是 1，與預期不符。

3.有序性問題

首先看一段很經典的獲取單例對象的代碼：

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;
     //Java 獲取單例對象
    public Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

程序的邏輯是：首先判斷 instance 是否爲空，若是爲空，對其加鎖，而後再判斷是否爲空，此時爲空的話則初始化 instance 對象。

若是線程 A 和 B 同時執行方法，在 synchronized 處，一個線程會被阻塞，假設被阻塞的是線程 B，此時線程 A 進入並初始化 instance，而後喚醒線程 B，線程 B 進入的時候，發現 instance 不爲空了，因此不會建立對象。

可是由於有序性問題的存在，這段代碼也不是想象的那麼完美，咱們指望的初始化對象的過程是這樣的：1.分配內存；2.初始化對象；3.將內存地址賦給 instance。可是通過編譯優化以後，倒是這樣的：

• 1.分配內存
• 2.將內存地址賦給 instance
• 3.在內存上面初始化對象

這樣，若是線程 A 執行到了第二步，而後切換到 線程 B，線程 B 就會認爲 instance 不爲空而後直接返回了，實際上 instance 並無初始化。

最後，總結一下，致使併發問題的三個源頭分別是

• 原子性：一個線程在執行的過程中不被中斷。
• 可見性：一個線程修改了共享變量，另外一個線程可以立刻看到，就叫作可見性。
• 有序性：編譯指令重排致使的問題。