摘要：所以這情況下，當(dāng)線程操作變量的時(shí)候，變量并不對(duì)線程可見(jiàn)。總結(jié)，緩存引發(fā)的可見(jiàn)性問(wèn)題，切換線程帶來(lái)的原子性問(wèn)題，編譯帶來(lái)的有序性問(wèn)題深刻理解這些前因后果，可以診斷大部分并發(fā)的問(wèn)題

如何解決并發(fā)問(wèn)題，首先要理解并發(fā)問(wèn)題的實(shí)際源頭怎么發(fā)生的。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的不同硬件的運(yùn)行速度是差異很大的，這個(gè)大家應(yīng)該都是知道的。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)行速度上的快慢比較：
  CPU > 緩存 > I/O

如何最大化的讓不同速度的硬件可以更好的協(xié)調(diào)執(zhí)行，需要做一些“撮合”的工作

CUP增加了高速緩存來(lái)均衡與緩存間的速度差異

操作系統(tǒng)增加了 進(jìn)程，線程，以分時(shí)復(fù)用CPU，進(jìn)而均衡CPU與I/O的速度差異（當(dāng)?shù)却齀/O的時(shí)候系統(tǒng)切換CPU給系統(tǒng)程序使用）

現(xiàn)代編程語(yǔ)言的編譯器優(yōu)化指令順序，使得緩存能夠合理的利用

上面說(shuō)來(lái)并發(fā)才生問(wèn)題的背景，下面說(shuō)下并發(fā)產(chǎn)生的具體原因是什么

先看下單核CPU和緩存之間的關(guān)系：

單核情況下，也是最簡(jiǎn)單的情況，線程A操作寫(xiě)入變量A，這個(gè)變量A的值肯定是被線程B所見(jiàn)的。因?yàn)?個(gè)線程是在一個(gè)CPU上操作，所用的也是同一個(gè)CPU緩存。

這里我們來(lái)定義

一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改，另外一個(gè)線程能夠立刻看到，我們稱為 “可見(jiàn)性”

多核CPU時(shí)代下，我們?cè)趤?lái)看下具體情況：

很明顯，多核情況下每個(gè)CPU都有自己的高速緩存，所以變量A的在每個(gè)CPU中可能是不同步的，不一致的。
結(jié)果程A剛好操作來(lái)CPU1的緩存，而線程B也剛好只操作了CPU2的緩存。所以這情況下，當(dāng)線程A操作變量A的時(shí)候，變量并不對(duì)線程B可見(jiàn)。

我們用一段經(jīng)典的代碼說(shuō)明下可見(jiàn)性的問(wèn)題：

    private void add10K() {
        int idx = 0;
        while (idx++ < 100000) {
            count += 1;
        }
    }

    @Test
    public void demo() {

        // 創(chuàng)建兩個(gè)線程，執(zhí)行 add() 操作
        Thread th1 = new Thread(() -> {
            add10K();
        });
        Thread th2 = new Thread(() -> {
            add10K();
        });
        // 啟動(dòng)兩個(gè)線程
        th1.start();
        th2.start();
        // 等待兩個(gè)線程執(zhí)行結(jié)束

        try {
            th1.join();
            th2.join();
        } catch (Exception exc) {

            exc.printStackTrace();
        }

        System.out.println(count);

    }

大家應(yīng)該都知道，答案肯定不是 200000
這就是可見(jiàn)性導(dǎo)致的問(wèn)題，因?yàn)?個(gè)線程讀取變量count時(shí)，讀取的都是自己CPU下的高速緩存內(nèi)的緩存值，+1時(shí)也是在自己的高速緩存中。

進(jìn)程切換最早是為了提高CPU的使用率而出現(xiàn)的。

比如，50毫米操作系統(tǒng)會(huì)重新選擇一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行（任務(wù)切換），50毫米成為“時(shí)間片”

早期的操作系統(tǒng)是進(jìn)程間的切換，進(jìn)程間的內(nèi)存空間是不共享的，切換需要切換內(nèi)存映射地址，切換成本大。

而一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建的所有線程，內(nèi)存空間都是共享的。所以現(xiàn)在的操作系統(tǒng)都是基于更輕量的線程實(shí)現(xiàn)切換的，現(xiàn)在我們提到的“任務(wù)切換”都是線程切換。

任務(wù)切換的時(shí)機(jī)大多數(shù)在“時(shí)間片”結(jié)束的時(shí)候。

現(xiàn)在我們使用的基本都是高級(jí)語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)言的一句對(duì)應(yīng)多條CPU命令，比如 count +=1 至少對(duì)應(yīng)3條CPU命令，指令：

1, 從內(nèi)存加載到CPU的寄存器
2, 在寄存器執(zhí)行 +1
3, 最后，講結(jié)果寫(xiě)回內(nèi)存（緩存機(jī)制導(dǎo)致可能寫(xiě)入的是CPU緩存而不是內(nèi)存）

操作系統(tǒng)做任務(wù)切換，會(huì)在 任意一條CPU指令執(zhí)行完就行切換。所以會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題

如圖所示，線程A當(dāng)執(zhí)行完初始化count=0時(shí)候，剛好被線程切換給了線程B。線程B執(zhí)行count+1=1并最后寫(xiě)入值到緩存中，CPU切換回線程A后，繼續(xù)執(zhí)行A線程的count+1=1并再次寫(xiě)入緩存，最后緩存中的count還是為1.
一開(kāi)始我們?nèi)蝿?wù)count+1=1應(yīng)該是一個(gè)不能再被拆開(kāi)的原子操作。

我們把一個(gè)或多個(gè)操作在CPU執(zhí)行過(guò)程中的不被中斷的特性稱為 原子性。

CPU能夠保證的原子性，是CPU指令級(jí)別的。所以高級(jí)語(yǔ)言需要語(yǔ)言層面 保證操作的原子性。

有序性。顧名思義，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(shí)候會(huì)改變程序中語(yǔ)句的先后順序，例如程序中：a=6；b=7；編譯器優(yōu)化后可能變成b=7；a=6；，在這個(gè)例子中，編譯器調(diào)整了語(yǔ)句的順序，但是不影響程序的最終結(jié)果。不過(guò)有時(shí)候編譯器及解釋器的優(yōu)化可能導(dǎo)致意想不到的 Bug。

Java中的經(jīng)典案例，雙重檢查創(chuàng)建單例對(duì)象；

public class Singleton {

  static Singleton instance;

  static Singleton getInstance(){

    if (instance == null) {

      synchronized(Singleton.class) {

        if (instance == null)

          instance = new Singleton();

        }

    }
    return instance;
  }
}

看似完美的代碼，其實(shí)有問(wèn)題。問(wèn)題就在new上。

想象中 new操作步驟：
1，分配一塊內(nèi)存 M
2，在內(nèi)存M上 初始化對(duì)象
3，把內(nèi)存M地址賦值給 變量

實(shí)際上就行編譯后的順序是：
1，分開(kāi)一塊內(nèi)存 M
2，把內(nèi)存M地址賦值給 變量
3，在 內(nèi)存M上 初始化對(duì)象

優(yōu)化導(dǎo)致的問(wèn)題：

如圖所示，當(dāng)線程A執(zhí)行到第二步的時(shí)候，被線程切換了，這時(shí)候，instance未初始化實(shí)例的對(duì)象，而線程B這時(shí)候執(zhí)行到instance == null ?的判斷中，發(fā)現(xiàn)instance已經(jīng)有“值”了，導(dǎo)致了返回了一個(gè)空對(duì)象的異常。

1，緩存引發(fā)的可見(jiàn)性問(wèn)題
2，切換線程帶來(lái)的原子性問(wèn)題
3，編譯帶來(lái)的有序性問(wèn)題

深刻理解這些前因后果，可以診斷大部分并發(fā)的問(wèn)題！