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Java并发编程实战学习笔记Day7-创新互联

并发编程是比较进阶的知识，涉及到很多底层的东西，学习起来是比较困难的。并发编程的bug更多的是偶发性的，很难复现，排查起来也很困难，要想快速解决问题，就要理解并发编程的本质，追本溯源，深入分析bug的源头。

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从这篇文章开始，我将记录我学习Java并发编程的所有笔记，这是第一篇，希望可以帮助到更多需要的朋友。

我们都知道CPU、内存、I/O设备三者的速度差异，程序在运行过程中，大部分都要访问内存，有些也要访问I/O，程序的整体性能取决于最慢的I/O设备，为了合理利用CPU的高性能，平衡三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都有贡献

  • CPU增加了缓存，以平衡和内存的速度差异；
  • 操作系统增加了进程、线程，来分时复用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利用
源头之一：缓存导致的可见性问题

单核时代，所有的线程都是在一颗CPU上执行，CPU缓存和内存的数据一致性很容易保证，因为所有的线程操作的都是同一个CPU缓存，一个线程对缓存的操在对其他线程来说是一定可见的。

多核时代，每颗CPU都有自己的缓存，这是CPU缓存与内存的数据一致性就不容易解决了，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存。

源头二：线程切换带来的原子性问题

Java并发编程都是基于多线程的，自然也会涉及到任务切换。任务切换的时机大多数都是在时间片结束的时候，我们现在基本都使用高级语言编程，高级语言里一条语句往往需要多条CPU指令完成，例如代码：count += 1，至少三条CPU指令。

  • 1.首先，需要把变量count从内存加载到CPU寄存器
  • 2.之后，在寄存器中执行+1操作
  • 3.将结构写入内存。

操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完，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执行完成后线程切换，线程B开始执行，线程B把三条指令都执行完成，再切换回线程A继续执行，此时线程A执行指令2，3，最终得到的结果还是1，而不是我们期望的2

image

造成这个问题的原因是因为我们以为count+=1这个操作是一个整体，其实再多线程执行的时候，线程的切换会发生在count+=1之前也可能是之后，就不会发生在中间。我们把一个或多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性称为原子性。

源头三：编译优化带来的有序性问题

编译器在百衲衣程序的时候，为了优化性能，会改变语句中的先后顺序，绝大部分情况下都是没有问题的，不会影响程序的最终结果，不过有时候编译器及解释器优化导致的bug也是改到头皮发麻。

以Java中的双重检查创建单例对象代码为例：

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

在获取实例 getInstance() 的方法中，我们首先判断 instance 是否为空，如果为空，则锁定 Singleton.class 并再次检查 instance 是否为空，如果还为空则创建 Singleton 的一个实例。

假设同时两个线程A、B同时调用getInstance()方法，此时instance==null，于是对Singleton.class加锁，此时，JVM保证只有一个线程能够加锁成功，另外一个线程则会等待（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。

看上去问题不大，实际上还是存在问题的，问题就出在new操作不是原子的，我们以为的new操作：

  1. 分配一块内存M
  2. 在内存M上初始化Singleton对象
  3. 将M的地址复制给instance变量

实际经过编译器优化之后的执行路径可能是：1-3-2

优化之后，假设线程A执行到第2步的是，发生了线程切换，切换到线程B，线程B也执行getInstance()方法，那么线程B执行，发现instance != null，直接返回使用，此时instance还未进行初始化，此时就可能发生空指针异常。

学好并发编程，就要深刻理解可见性、原子性、有序性在并发场景下的原理，在面对很多问题的时候就会迎刃而解。

学习来源：极客时间

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