Java并发编程实战 01并发编程的Bug源头

摘要

编写正确的并发程序对我来说是一件极其困难的事情，由于知识不足，只知道synchronized这个修饰符进行同步。
本文为学习极客时间：Java并发编程实战 01的总结，文章取图也是来自于该文章

并发Bug源头

在计算机系统中，程序的执行速度为：CPU > 内存 > I/O设备 ，为了平衡这三者的速度差异，计算机体系机构、操作系统、编译程序都进行了优化：

1.CPU增加了缓存，以均衡和内存的速度差异
2.操作系统增加了进程、线程，已分时复用CPU，以均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异
3.编译程序优化指令执行顺序，使得缓存能够更加合理的利用。

但是这三者导致的问题为：可见性、原子性、有序性

源头之一：CPU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即看到，那么就称为可见性。
现在多核CPU时代中，每颗CPU都有自己的缓存，CPU之间并不会共享缓存；

如线程A从内存读取变量V到CPU-1，操作完成后保存在CPU-1缓存中，还未写到内存中。
此时线程B从内存读取变量V到CPU-2中，而CPU-1缓存中的变量V对线程B是不可见的
当线程A把更新后的变量V写到内存中时，线程B才可以从内存中读取到最新变量V的值

上述过程就是线程A修改变量V后，对线程B不可见，那么就称为可见性问题。

源头之二：线程切换带来的原子性问题

现代的操作系统都是基于线程来调度的，现在提到的“任务切换”都是指“线程切换”
Java并发程序都是基于多线程的，自然也会涉及到任务切换，在高级语言中，一条语句可能就需要多条CPU指令完成，例如在代码 count += 1 中，至少需要三条CPU指令。

指令1：把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器中
指令2：在寄存器中把变量 count + 1
指令3：把变量 count 写入到内存（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，所以并不是高级语言中的一条语句，不要被 count += 1 这个操作蒙蔽了双眼。假设count = 0，线程A执行完 指令1 后 ，做任务切换到线程B执行了 指令1、指令2、指令3后，再做任务切换回线程A。我们会发现虽然两个线程都执行了 count += 1 操作。但是得到的结果并不是2，而是1。

如果 count += 1 是一个不可分割的整体，线程的切换可以发生在 count += 1 之前或之后，但是不会发生在中间，就像个原子一样。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

源头之三：编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，可能会改变程序中的语句执行先后顺序。如：a = 1; b = 2;，编译器可能会优化成：b = 2; a = 1。在这个例子中，编译器优化了程序的执行先后顺序，并不影响结果。但是有时候优化后会导致意想不到的Bug。
在单例模式的双重检查创建单例对象中。如下代码：

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

问题出现在了new Singletion()这行代码，我们以为的执行顺序应该是这样的：

指令1：分配一块内存M
指令2：在内存M中实例化Singleton对象
指令3：instance变量指向内存地址M

但是实际优化后的执行路径确实这样的：

指令1：分配一块内存M
指令2：instance变量指向内存地址M
指令3：在内存M中实例化Singleton对象

这样的话看出来什么问题了吗？当线程A执行完了指令2后，切换到了线程B，
线程B判断到 if (instance != null)。直接返回instance，但是此时的instance还是没有被实例化的啊！所以这时候我们使用instance可能就会触发空指针异常了。如图：

总结

在写并发程序的时候，需要时刻注意可见性、原子性、有序性的问题。在深刻理解这三个问题后，写起并发程序也会少一点Bug啦~。记住了下面这段话：CPU缓存会带来可见性问题、线程切换带来的原子性问题、编译优化带来的有序性问题。

参考文章：极客时间：Java并发编程实战 01 | 可见性、原子性和有序性问题：并发编程Bug的源头

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