可见性、原子性和有序性问题：并发编程 Bug 的源头

源头之一：缓存导致的可见性问题

• 在单核时代，所有的线程都是在一颗 CPU 上执行，CPU 缓存与内存的数据一致性容易解决。
  
  • 因为所有线程都是操作同一个 CPU 的缓存，一个线程对缓存的写，对另外一个线程来说一定是可见的。
  • 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。
• 多核时代，每颗 CPU 都有自己的缓存，这时 CPU 缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了，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。
  

源头之二：线程切换带来的原子性问题

• 操作系统允许某个进程执行一小段时间，例如 50 毫秒，过了 50 毫秒操作系统就会重新选择一个进程来执行（我们称为“任务切换”），这个 50 毫秒称为“时间片”。
• 操作系统做任务切换，可以发生在任何一条 CPU 指令执行完，是的，是 CPU 指令，而不是高级语言里的一条语句。
  
  • 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 按照下图的序列执行，那么我们会发现两个线程都执行了 count +=1 的操作，但是得到的结果不是我们期望的 2，而是 1。
  • 我们潜意识里面觉得 count += 1 这个操作是一个不可分割的整体，就像一个原子一样，线程的切换可以发生在 count+=1 之前，也可以发生在 count += 1 之后，但就是不会发生在中间。
  • 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。

源头之三：编译优化带来的有序性问题

• 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，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：

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

  • 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。