Java 并发编程的可见性、有序性和原子性

Java 并发编程的可见性、有序性和原子性

并发编程无论在哪门语言里，都属于高级篇，面试中也尝尝会被问到。想要深入理解并发编程机制确实不是一件容易的事，因为它涉及到计算机底层和操作系统的相关知识，如果对这部分知识不是很清楚可能会导致理解困难。

在这个专栏里，王子会尽量以白话和图片的方式剖析并发编程本质，希望可以让大家更容易理解。

今天我们就来谈一谈可见性、有序性和原子性都是什么东西。

并发编程的幕后

进入主题之前，我们先来了解一下并发编程的幕后。

随着CPU、内存和I/O设备的不断升级，它们之间一直存在着一个矛盾，就是速度不一致问题。CPU的速度高于内存，内存的速度又高于I/O设备。

我们写的代码中大多数内容都会经过内存处理，有些内容会去读写I/O设备，根据木桶理论，整体的性能取决于最慢的操作，就是I/O设备，所以单单提升CPU的性能是不够的。

为了最大化体现出CPU的性能，计算机底层主要做了三部分优化：

1.CPU增加了缓存，比内存速度更快，平衡内存的速度

2.操作系统增加了进程和线程，可以对CPU分时复用

3.编译程序会进行指令的重排，使缓存更好的发挥性能

我们平时的工作中其实一直都享受着这些优化后的成果，但同时他们也会导致一些很难找到原因的BUG。

什么是可见性

首先我们就来看看什么是可见性。

一个线程对共享变量的修改，另一个线程可以感知到，我们称其为可见性。

在单核时代，其实是不存在可见性问题的，因为所有的线程都是在一个CPU中工作的，一个线程的写操作对于其他的线程一定是可见的。

但是多核CPU出现后，每个CPU都有自己的缓存，多个线程在不同的CPU中处理数据就会导致不可见问题。

假设变量v的值是1， 两个线程同时执行了v++操作，首先会从内存中读取变量v的数据到各自的CPU缓存中，这个时候两个CPU缓存中的v都是1，执行v++后，两个变量v都变成了2，然后再写回内存，内存中的变量v就变成了2。

但其实我们想看到的结果v最终应该是3才对。

在CPU1缓存中执行v++后，CPU2缓存无法感知的到，这就是可见性问题。而由于可见性问题导致的最终数据不正确，就是线程安全问题。

什么是原子性

由于I/O的速度太慢，早期的操作系统发明了多进程，就是允许某个进程执行一小段时间后，重新选择一个进程来执行，这个过程叫做任务切换，而这一小段的时间我们称其为时间片。

现在操作系统的任务切换一般指的是更轻量级的线程切换，java的并发编程是基于多线程的，自然也会存在线程切换。

一般会在时间片结束的时候进行线程切换，java语言中执行的一段简单的代码往往需要多条CPU的指令实现，比如count++这部分代码，至少需要三条CPU指令：

1.首先把count从内存中读取到CPU的寄存器中

2.在寄存器中执行+1操作

3.最后将count的值写入内存中（可能写入到CPU的缓存中）

而线程切换是可以发生在任意的一条CPU指令执行之后的，注意，这里说的是CPU的指令，而不是java语言中的指令，对于上面的三条指令来说，我们假设 count=0，如果线程 A 在指令 1 执行完后做线程切换，线程 A 和线程 B 按照下图的顺序执行，那么我们会发现两个线程都执行了 count++ 的操作，但是得到的结果不是我们期望的 2，而是 1。

这就是线程切换导致的数据错误问题，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，CPU 能保证的原子操作是 CPU 指令级别的，而不是高级语言的操作符，这是违背我们直觉的地方。因此，很多时候我们需要在高级语言层面保证操作的原子性。

什么是有序性

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，有时候会改变程序中语句的先后顺序，例如程序中：“x=1；y=2；”编译器优化后可能变成“y=2；x=1；”。

在这个例子中，编译器调整了语句的顺序，但是不影响程序的最终结果。不过有时候调整了语句的顺序可能导致意想不到的 Bug。

在 Java 领域一个经典的案例就是利用双重检查创建单例对象，代码如下：

public class Singleton {

static Singleton instance;

static Singleton getInstance(){

if (instance == null) {

synchronized(Singleton.class) {

if (instance == null)

instance = new Singleton();

}

}

return instance;

}

}

假设有两个线程 A、B 同时调用 getInstance() 方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对 Singleton.class 加锁，此时 JVM 保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程 A），另外一个线程则会处于等待状态（假设是线程 B）；线程 A 会创建一个 Singleton 实例，之后释放锁，锁释放后，线程 B 被唤醒，线程 B 再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，加锁成功后，线程 B 检查 instance == null 时会发现，已经创建过 Singleton 实例了，所以线程 B 不会再创建一个 Singleton 实例。

这个过程看上去是不是无懈可击，没有漏洞？

答案是否定的，问题就出在了new操作上，我们以为的new操作是这样的：

1.分配一块内存空间

2.在这块内存空间上初始化Singleton实例对象

3.把这个对象的内存地址赋值给instance变量

但实际上由于指令重排，优化后的过程是这样的：

1.分配一块内存空间

2.把这快内存空间的内存地址赋值给instance变量

3.在这块内存空间上初始化Singleton实例对象

那么这样调换顺序后会发生什么呢？

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。

总结

使用并发编程开发，往往会出现很多难以找到原因的BUG，通过对可见性、有序性和原子性的分析，可以为我们排查并发导致的BUG提供一些思路。

CPU缓存会导致可见性

指令重排会导致有序性

线程切换会导致原子性

以上就是本篇文章的三个核心内容，那我们下篇文章继续。

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