并發(fā)編程無論在哪門語言里，都屬于高級篇，面試中也嘗嘗會被問到。想要深入理解并發(fā)編程機(jī)制確實不是一件容易的事，因為它涉及到計算機(jī)底層和操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，如果對這部分知識不是很清楚可能會導(dǎo)致理解困難。

在這個專欄里，王子會盡量以白話和圖片的方式剖析并發(fā)編程本質(zhì)，希望可以讓大家更容易理解。

今天我們就來談一談可見性、有序性和原子性都是什么東西。

并發(fā)編程的幕后

進(jìn)入主題之前，我們先來了解一下并發(fā)編程的幕后。

隨著CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備的不斷升級，它們之間一直存在著一個矛盾，就是速度不一致問題。CPU的速度高于內(nèi)存，內(nèi)存的速度又高于I/O設(shè)備。

我們寫的代碼中大多數(shù)內(nèi)容都會經(jīng)過內(nèi)存處理，有些內(nèi)容會去讀寫I/O設(shè)備，根據(jù)木桶理論，整體的性能取決于最慢的操作，就是I/O設(shè)備，所以單單提升CPU的性能是不夠的。

為了最大化體現(xiàn)出CPU的性能，計算機(jī)底層主要做了三部分優(yōu)化：

1.CPU增加了緩存，比內(nèi)存速度更快，平衡內(nèi)存的速度

2.操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程和線程，可以對CPU分時復(fù)用

3.編譯程序會進(jìn)行指令的重排，使緩存更好的發(fā)揮性能

我們平時的工作中其實一直都享受著這些優(yōu)化后的成果，但同時他們也會導(dǎo)致一些很難找到原因的BUG。

什么是可見性

首先我們就來看看什么是可見性。

一個線程對共享變量的修改，另一個線程可以感知到，我們稱其為可見性。

在單核時代，其實是不存在可見性問題的，因為所有的線程都是在一個CPU中工作的，一個線程的寫操作對于其他的線程一定是可見的。

但是多核CPU出現(xiàn)后，每個CPU都有自己的緩存，多個線程在不同的CPU中處理數(shù)據(jù)就會導(dǎo)致不可見問題。

假設(shè)變量v的值是1， 兩個線程同時執(zhí)行了v++操作，首先會從內(nèi)存中讀取變量v的數(shù)據(jù)到各自的CPU緩存中，這個時候兩個CPU緩存中的v都是1，執(zhí)行v++后，兩個變量v都變成了2，然后再寫回內(nèi)存，內(nèi)存中的變量v就變成了2。

但其實我們想看到的結(jié)果v最終應(yīng)該是3才對。

在CPU1緩存中執(zhí)行v++后，CPU2緩存無法感知的到，這就是可見性問題。而由于可見性問題導(dǎo)致的最終數(shù)據(jù)不正確，就是線程安全問題。

什么是原子性

由于I/O的速度太慢，早期的操作系統(tǒng)發(fā)明了多進(jìn)程，就是允許某個進(jìn)程執(zhí)行一小段時間后，重新選擇一個進(jìn)程來執(zhí)行，這個過程叫做任務(wù)切換，而這一小段的時間我們稱其為時間片。

現(xiàn)在操作系統(tǒng)的任務(wù)切換一般指的是更輕量級的線程切換，java的并發(fā)編程是基于多線程的，自然也會存在線程切換。

一般會在時間片結(jié)束的時候進(jìn)行線程切換，java語言中執(zhí)行的一段簡單的代碼往往需要多條CPU的指令實現(xiàn)，比如count++這部分代碼，至少需要三條CPU指令：

1.首先把count從內(nèi)存中讀取到CPU的寄存器中

2.在寄存器中執(zhí)行+1操作

3.最后將count的值寫入內(nèi)存中（可能寫入到CPU的緩存中）

而線程切換是可以發(fā)生在任意的一條CPU指令執(zhí)行之后的，注意，這里說的是CPU的指令，而不是java語言中的指令，對于上面的三條指令來說，我們假設(shè) count=0，如果線程 A 在指令 1 執(zhí)行完后做線程切換，線程 A 和線程 B 按照下圖的順序執(zhí)行，那么我們會發(fā)現(xiàn)兩個線程都執(zhí)行了 count++ 的操作，但是得到的結(jié)果不是我們期望的 2，而是 1。

這就是線程切換導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤問題，我們把一個或者多個操作在 CPU 執(zhí)行的過程中不被中斷的特性稱為原子性，CPU 能保證的原子操作是 CPU 指令級別的，而不是高級語言的操作符，這是違背我們直覺的地方。因此，很多時候我們需要在高級語言層面保證操作的原子性。

什么是有序性

有序性指的是程序按照代碼的先后順序執(zhí)行。編譯器為了優(yōu)化性能，有時候會改變程序中語句的先后順序，例如程序中：“x=1；y=2；”編譯器優(yōu)化后可能變成“y=2；x=1；”。

在這個例子中，編譯器調(diào)整了語句的順序，但是不影響程序的最終結(jié)果。不過有時候調(diào)整了語句的順序可能導(dǎo)致意想不到的 Bug。

在 Java 領(lǐng)域一個經(jīng)典的案例就是利用雙重檢查創(chuàng)建單例對象，代碼如下：

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

假設(shè)有兩個線程 A、B 同時調(diào)用 getInstance() 方法，他們會同時發(fā)現(xiàn) instance == null ，于是同時對 Singleton.class 加鎖，此時 JVM 保證只有一個線程能夠加鎖成功（假設(shè)是線程 A），另外一個線程則會處于等待狀態(tài)（假設(shè)是線程 B）；線程 A 會創(chuàng)建一個 Singleton 實例，之后釋放鎖，鎖釋放后，線程 B 被喚醒，線程 B 再次嘗試加鎖，此時是可以加鎖成功的，加鎖成功后，線程 B 檢查 instance == null 時會發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)創(chuàng)建過 Singleton 實例了，所以線程 B 不會再創(chuàng)建一個 Singleton 實例。

這個過程看上去是不是無懈可擊，沒有漏洞？

答案是否定的，問題就出在了new操作上，我們以為的new操作是這樣的：

1.分配一塊內(nèi)存空間

2.在這塊內(nèi)存空間上初始化Singleton實例對象

3.把這個對象的內(nèi)存地址賦值給instance變量

但實際上由于指令重排，優(yōu)化后的過程是這樣的：

1.分配一塊內(nèi)存空間

2.把這快內(nèi)存空間的內(nèi)存地址賦值給instance變量

3.在這塊內(nèi)存空間上初始化Singleton實例對象 

那么這樣調(diào)換順序后會發(fā)生什么呢？

我們假設(shè)線程 A 先執(zhí)行 getInstance() 方法，當(dāng)執(zhí)行完指令 2 時恰好發(fā)生了線程切換，切換到了線程 B 上；如果此時線程 B 也執(zhí)行 getInstance() 方法，那么線程 B 在執(zhí)行第一個判斷時會發(fā)現(xiàn) instance != null ，所以直接返回 instance，而此時的 instance 是沒有初始化過的，如果我們這個時候訪問 instance 的成員變量就可能觸發(fā)空指針異常。 

總結(jié)

使用并發(fā)編程開發(fā)，往往會出現(xiàn)很多難以找到原因的BUG，通過對可見性、有序性和原子性的分析，可以為我們排查并發(fā)導(dǎo)致的BUG提供一些思路。

CPU緩存會導(dǎo)致可見性

指令重排會導(dǎo)致有序性

線程切換會導(dǎo)致原子性

以上就是本篇文章的三個核心內(nèi)容，那我們下篇文章繼續(xù)。

以上就是Java 并發(fā)編程的可見性、有序性和原子性的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 并發(fā)編程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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