Java并发编程（一）---原子性，可见性，有序性

摘要

并发编程世界里，由于CPU缓存导致的可见性问题，线程切换导致的原子性问题，以及编译器重排序导致的有序性问题是并发编程Bug的根源。

正文

可见性

一个线程对共享变量的修改。另外一个线程能够立刻看到，我们称之为可见性。共享变量指的是存放在堆内存，由所有线程所共享的变量。比如：实例变量，静态变量。
如图所示：

共享变量V可以由线程A和线程B同时操作，线程A和B首先从各自的CPU缓存或者寄存器中读取数值，然后由CPU的寄存器写入内存中。

public class LongTest {
    private static long atest = 0L;
    public void countTest() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            atest = atest + 1;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final LongTest longTest = new LongTest();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                longTest.countTest();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                longTest.countTest();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join();
        threadB.join();
        System.out.println("*******获得到的atest值为=" + atest);
    }
}

如上程序，运行之后我们会发现 atest 值永远都不会到达20000，而是在10000-20000之间的随机数。
原因分析：假设线程A和线程B同时执行 atest = atest + 1;， 线程A 读取到的原值是0，执行+1操作之后，得到新值1，同样的，线程B也是读取到的原值0，然后执行+1操作，得到新值1。这样就永远得不到结果2。
类推的话，循环执行10000次也是同理，线程A执行+1操作时不能及时获得线程B已经写入的值，故导致值永远不可能达到20000。

原子性

由于一条高级语句在CPU中可能会分成若干条指令来执行，每条指令执行完之后就有可能会发生线程切换。故线程切换造成的原子性问题。

例如： count=count+1 共有三个指令

• 指令一: 将count值从内存加载到到CPU的寄存器中
• 指令二：在寄存器中+1操作
• 指令三 ：将新值写入到内存中（由于缓存机制，写入的可能是CPU的缓存而不是内存）

操作系统做任务切换可以发生在任何一条CPU指令执行完，是CPU指令执行完。
我们将一个或者多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性称之为原子性。

有序性

编译器重排序导致的有序性问题：
例如：双重加锁中的：

public class SingletonDemo {
    private static  SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo(){

    }

    static SingletonDemo getSingletonDemo() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo();    //6
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这里会有有序性问题：
问题主要出在了 new SingletonDemo() 这一步
因为instance = new SingletonDemo();主要有三个指令

1. 分配内存空间M
2. 在内存M上初始化对象
3. 然后M的地址赋值给instance变量

正常顺序是1-2-3
但是CPU重排序之后执行顺序可能变成了 1-3-2
步骤如下：

1. A首先进入synchronized，由于instance为null,所以它执行instance = new SingletonDemo()；
2. 然后线程 A执行1->JVM先画出了一些分配给SingletonDemo实例的空白内存，并赋值给instance
3. 在还没有进行第三步（将instance引用指向内存空间）的时候，恰好发生了线程切换 ，切换到了线程B上，
4. 如果此时线程B也执行getSingletonDemo()方法，那么线程B 在执行第一个判断是会发现instance!=null，所以直接返回了instance，而此时的instance是没有初始化的。

总结

并发编程中主要的问题就是可见性问题， 原子性问题，有序性问题。本文介绍了这三种问题的发生原因，以及发生的场景。