【JAVA并发】一、并发问题产生的根源

一个问题的产生，往往是各种原因导致的。如果不了解问题的源头，我们就没办法给出合理的解决方案，再说源头都不了解，还谈什么解决问题啊。今天，我们来浅析一下并发问题产生的原因。

一、CPU缓存导致的可见性问题

先说下题外话：缓存这个东西就是个双刃剑，合理运用缓存很重要！
为了平衡CPU、内存之间的速度差，CPU的硬件设计师引用了CPU缓存这个东西。其实倒退个几十年，大部分服务器还是单CPU的情况下，这么设计问题也不大。但是在现在起步都是双核的情况下，问题就来了，我先来手工画一幅多CPU跟内存的交互模型图（个人理解，纯手工制作，大家将就看吧）

CPU在读数据的时候，会先去CPU缓存里面找，如果没有，再去内存里面取。可是CPU之间的缓存却是相对隔离的，这就导致了各个缓存之间缓存的数据并不是可见的。因此，并发问题的第一大坑就来了。
顺带提一嘴这个问题的解决办法：就是禁用缓存，让每次都直接从内存里面去存取数据，不走缓存，不就可以解决这个问题了吗，java的具体解决方案留着后面再说。

二、线程切换导致的原子性问题

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9

看上面的代码是一个单例模式的懒汉式实现方式，如果现在有两个线程同时调用getInstanc()方法，就有可能会发生线程安全问题。为什么会产生这样的问题呢，是因为在我们正常的概念中，一个方法应该执行完毕才会发生线程切换，可是实际上却并不是这样的。甚至对于高级语言来说，一行代码的执行，实际上会解析成多条指令，CPU只会保证单条指令的原子性。一句话来说线程随时可能切换。
当线程A调用getInstance的时候，由于instance == null，会进行instance = new Singleton();的初始化，但是这个时候发生了线程切换，线程B也调用了 getInstance()，也判断出instance == null，这个时候线程A拿到的对象实例就跟线程B拿到的对象实例就不是同一个实例了。

三、编译优化导致的有序性问题

接着第二点的代码，咱们给他优化一下成如下代码。

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

这样的代码看着就无懈可击了，但是智者千虑终有一失，这里我就摘抄一下别人的文章的片段了。

以下文章节选自JAVA并发编程实战：

假设有两个线程 A、B 同时调用 getInstance() 方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对 Singleton.class 加锁，此时 JVM 保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程 A），另外一个线程则会处于等待状态（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。

这看上去一切都很完美，无懈可击，但实际上这个 getInstance() 方法并不完美。问题出在哪里呢？出在 new 操作上，我们以为的 new 操作应该是：

分配一块内存 M；
在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
然后 M 的地址赋值给 instance 变量。
但是实际上优化后的执行路径却是这样的：

分配一块内存 M；
将 M 的地址赋值给 instance 变量；
最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象。
优化后会导致什么问题呢？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。

第三点总结一下，编译器的优化工作，可能会导致我们的代码前后顺序紊乱，虽然他保证了不会影响程序最终结果。但是偶尔还是可能导致意向不到的BUG产生。