多线程安全问题：可见性、原子性、有序性

引言

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1. CPU缓存与内存产生的一致性问题
2. CPU时间片切换产生的原子性问题
3. CPU指令编译优化产生的有序性问题

并发程序问题的根源

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1. CPU、内存、I/O设备三者速度差异一直是 核心矛盾
   三者速度差异可形象描述为：天上一天(CPU)，地上一年(内存)，地上十年(I/O)
   根据木桶理论，程序整体性能取决于最慢的操作-读写I/O设备，可见单方面提高CPU性能是无效的

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、编译程序都做了努力：

• CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异
• 操作系统增加了进程、线程，以及分时复用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的利用

源头之一：缓存导致的可见性问题

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1. 什么是可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到

2. 多核时代，每颗 CPU 都有自己的缓存， CPU 缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了

   
   image.png

public class ThreadDemo {
    private int count = 0;

    public void add10K() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            count += 1;
        }
    }

    public void calc() throws InterruptedException {
        Runnable task = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                add10K();
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("count=" + count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadDemo demo = new ThreadDemo();
        demo.calc();
    }
    
}

源头之二：线程切换带来的原子性问题

1. CPU时间片

   
   image.png

示例：count += 1，至少需要三条 CPU 指令

• 指令 1：首先，需要把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；
• 指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；
• 指令 3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

带来可能问题

image.png

2. 原子性：一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性
   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

源头之三：编译优化带来的有序性问题

1. 有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行

示例：利用双重检查创建单例对象

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

new的理论顺序：

1. 分配一块内存M
2. 在内存M上初始化Singleton对象
3. M的地址赋值给instance变量

经过编译器实际优化后：

1. 分配一块内存M
2. M的地址赋值给instance变量
3. 在内存M上初始化Singleton对象

带来问题：

image.png