并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？

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陈振阳Plus 2022-10-28 10:56:13 博主文章分类：Concurrency

作者：不才陈某

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前言

在高并发的情况下，你的程序是不是经常出现一些诡异的BUG，每次都是花费大量时间排查，但是你有没有思考过这一切罪恶的源头是什么呢？

幕后那些事

CPU、内存、I/O设备的速度差异越来越大，这也是程序性能的瓶颈，根据木桶理论，最终决定程序的整体性能取决于最慢的操作-读写I/O设备，单方面的提高CPU的性能是无用的。为了平衡三者的差距，大牛前辈们不断努力，最终做出了卓越的贡献：CPU增加了缓存，平衡与内存之间的速度差异操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。注意：正是硬件前辈们做的这些贡献，额外的后果需要软件工程师来承担，太坑了。

坑一：CPU缓存导致的可见性问题

在单核CPU的时代，所有的线程都在单个CPU上执行，不存在CPU数据和内存的数据的一致性。一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，我们称为可见性。因为所有的线程都是在同一个CPU缓存中读写数据，一个线程对缓存的写，对于另外一个线程肯定是可见的。如下图：

并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？_java

从上图可以很清楚的了解，线程A对于变量的修改都是在同一个CPU缓存中，则线程B肯定是可见的。但是多核时代的到来则意味着每个CPU上都有一个独立的缓存，信息不再互通了，此时保证内存和CPU缓存的一致性就很难了。如下图：

并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？_缓存_02

从上图可以很清楚的了解，线程A和线程B对变量A的改变是不可见的，因为是在两个不同的CPU缓存中。最简单的证明方式则是在多核CPU的电脑上跑一个循环相加的方法，同时开启两个线程运行，最终得到的结果肯定不是正确的，如下：

public class TestThread {
    private Long total=0L;
    //循环一万次相加
    private void add(){
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            total+=1;
        }
    }

    //开启两个线程相加
    public static void calc() throws InterruptedException {
        TestThread thread=new TestThread();
        //创建两个线程
        Thread thread1=new Thread(thread::add);
        Thread thread2=new Thread(thread::add);

        //启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();

        //阻塞主线程
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(thread.total);
    }

上述代码在单核CPU的电脑上运行的结果肯定是20000，但是在多核CPU的电脑上运行的结果则是在10000_{20000之间，为什么呢？原因很简单，第一次在两个线程启动后，会将total=0读取到各自的CPU缓存中，执行total+1=0后，各自将得到的结果total=1写入到内存中（理想中应该是total=2），由于各自的CPU缓存中都有了值，因此每个线程都是基于各自CPU缓存中的值来计算，因此最终导致了写入内存中的值是在10000}20000之间。注意：如果循环的次数很少，这种情况不是很明显，如果次数设置的越大，则结果越明显，因为两个线程不是同时启动的。

坑二：线程切换导致的原子性问题

早期的操作系统是基于进程调度CPU，不同进程间是共享内存空间的，比如你在IDEA写代码的同时，能够打开QQ音乐，这个就是多进程。操作系统允许某个进程执行一段时间，比如40毫秒，过了这个时间则会选择另外一个进程，这个过程称之为任务切换，这个40毫秒称之为时间片，如下图：

并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？_赋值_03

在一个时间片内，如果一个进程进行IO操作，比如读文件，这个时候该进程可以把自己标记为休眠状态并让出CPU的使用权，待文件读进内存，操作系统会将这个休眠的进程唤醒，唤醒后的进程就有机会重新获得CPU的使用权。现代的操作系统更加轻量级了，都是基于线程调度，现在提到的任务切换大都指示线程切换。注意：操作系统进行任务切换是基于CPU指令。基于CPU指令是什么意思呢？Java作为高级编程语言，一条简单的语句可能底层就需要多条CPU指令，例如total+=1这条语句，至少需要三条CPU指令，如下：指令1：将total从内存读到CPU寄存器中指令2：在寄存器中执行+1指令3：将结果写入内存（缓存机制可能导致写入的是CPU缓存而不是内存）基于CPU指令是什么意思呢？简单的说就是任务切换的时机可能是上面的任何一条指令完成之后。我们假设在线程A执行了指令1后做了任务切换，此时线程B执行，虽然执行了total+1=1，但是最终的结果却不是2，如下图：

并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？_面试_04

我们把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。注意：CPU仅仅能保证CPU指令执行的原子性，并不能保证高级语言的单条语句的原子性。此处分享一道经典的面试题：Long类型的数据在32位操作系统中加减是否存在并发问题？答案：是，因为Long类型是64位，在32位的操作系统中执行加减肯定是要拆分成多个CPU指令，因此无法保证加减的原子性。

坑三：编译优化带来的有序性问题

编译优化算是最诡异的一个难题了，虽然高级语言规定了代码的执行顺序，但是编译器有时为了优化性能，则会改变代码执行的顺序，比如a=4;b=3;，在代码中可能给人直观的感受是a=4先执行，b=3后执行，但是编译器可能为了优化性能，先执行了b=3，这种对于我们肉眼是不可见的，上面例子中虽然不影响结果，但是有时候编译器的优化可能导致意想不到的BUG。双重校验锁实现单例不知大家有没有听说过，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;
  }
}

这里我去掉了volatile关键字，那么此时这个代码在并发的情况下有问题吗？上述代码看上去很完美，但是最大的问题就在new Singleton();这行代码上，预期中的new操作顺序如下：分配一块内存N在内存N上初始化Singleton对象将内存N的地址赋值给instance变量但是实际上编译优化后的执行顺序如下：分配一块内存N将内存N的地址赋值给instance变量在内存N上初始化Singleton对象很多人问了，优化后影响了什么？将内存N的地址提前赋值给instance变量意味着instance!=null是成立的，一旦是高并发的情况下，线程A执行第二步发生了任务切换，则线程B执行到了if (instance == null)这个判断，此时不成立，则直接返回了instance，但是此时的instance并没有初始化过，如果此时访问其中的成员变量则会发生空指针异常，执行流程如下图：

并发编程中原子性、可见性、有序性这些特性的起源？_缓存_05