這篇文章主要講解了“java可見(jiàn)性、原子性、有序性在并發(fā)場(chǎng)景下的原理”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“java可見(jiàn)性、原子性、有序性在并發(fā)場(chǎng)景下的原理”吧！

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源頭一：緩存導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題

在單核時(shí)代，所有的線程都是在一顆 CPU 上執(zhí)行，CPU 緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性容易解 決。因?yàn)樗芯€程都是操作同一個(gè) CPU 的緩存，一個(gè)線程對(duì)緩存的寫(xiě)，對(duì)另外一個(gè)線程來(lái) 說(shuō)一定是可見(jiàn)的。例如在下面的圖中，線程 A 和線程 B 都是操作同一個(gè) CPU 里面的緩 存，所以線程 A 更新了變量 V 的值，那么線程 B 之后再訪問(wèn)變量 V，得到的一定是 V 的 最新值（線程 A 寫(xiě)過(guò)的值）。

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。

多核時(shí)代，每顆 CPU 都有自己的緩存，這時(shí) CPU 緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性就沒(méi)那么容易 解決了，當(dāng)多個(gè)線程在不同的 CPU 上執(zhí)行時(shí)，這些線程操作的是不同的 CPU 緩存。比如 下圖中，線程 A 操作的是 CPU-1 上的緩存，而線程 B 操作的是 CPU-2 上的緩存，很明 顯，這個(gè)時(shí)候線程 A 對(duì)變量 V 的操作對(duì)于線程 B 而言就不具備可見(jiàn)性了。這個(gè)就屬于硬 件程序員給軟件程序員挖的“坑”。

下面我們?cè)儆靡欢未a來(lái)驗(yàn)證一下多核場(chǎng)景下的可見(jiàn)性問(wèn)題。下面的代碼，每執(zhí)行一次 add10K() 方法，都會(huì)循環(huán) 10000 次 count+=1 操作。在 calc() 方法中我們創(chuàng)建了兩個(gè) 線程，每個(gè)線程調(diào)用一次 add10K() 方法，我們來(lái)想一想執(zhí)行 calc() 方法得到的結(jié)果應(yīng)該 是多少呢？

    public class Test {
        private long count = 0;

        private void add10K() {
            int idx = 0;
            while (idx++ < 10000) {
                count += 1;
            }
        }

        public static long calc() {
            final Test test = new Test();
            // 創(chuàng)建兩個(gè)線程，執(zhí)行 add() 操作
            Thread th2 = new Thread(() -> {
                test.add10K();
            });
            Thread th3 = new Thread(() -> {
                test.add10K();
            });
            // 啟動(dòng)兩個(gè)線程
            th2.start();
            th3.start();
            // 等待兩個(gè)線程執(zhí)行結(jié)束

            th2.join();
            th3.join();
            return count;
        }
    }

直覺(jué)告訴我們應(yīng)該是 20000，因?yàn)樵趩尉€程里調(diào)用兩次 add10K() 方法，count 的值就是 20000，但實(shí)際上 calc() 的執(zhí)行結(jié)果是個(gè) 10000 到 20000 之間的隨機(jī)數(shù)。為什么呢？ 我們假設(shè)線程 A 和線程 B 同時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，那么第一次都會(huì)將 count=0 讀到各自的 CPU 緩存里，執(zhí)行完 count+=1 之后，各自 CPU 緩存里的值都是 1，同時(shí)寫(xiě)入內(nèi)存后，我們 會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中是 1，而不是我們期望的 2。之后由于各自的 CPU 緩存里都有了 count 的 值，兩個(gè)線程都是基于 CPU 緩存里的 count 值來(lái)計(jì)算，所以導(dǎo)致最終 count 的值都是小 于 20000 的。這就是緩存的可見(jiàn)性問(wèn)題。
循環(huán) 10000 次 count+=1 操作如果改為循環(huán) 1 億次，你會(huì)發(fā)現(xiàn)效果更明顯，最終 count 的值接近 1 億，而不是 2 億。如果循環(huán) 10000 次，count 的值接近 20000，原因是兩個(gè)線程不是同時(shí)啟動(dòng)的，有一個(gè)時(shí)差。

源頭二：線程切換帶來(lái)的原子性問(wèn)題

由于 IO 太慢，早期的操作系統(tǒng)就發(fā)明了多進(jìn)程，即便在單核的 CPU 上我們也可以一邊聽(tīng) 著歌，一邊寫(xiě) Bug，這個(gè)就是多進(jìn)程的功勞。
操作系統(tǒng)允許某個(gè)進(jìn)程執(zhí)行一小段時(shí)間，例如 50 毫秒，過(guò)了 50 毫秒操作系統(tǒng)就會(huì)重新選擇一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行（我們稱為“任務(wù)切換”），這個(gè) 50 毫秒稱為“時(shí)間片”。

Java 并發(fā)程序都是基于多線程的，自然也會(huì)涉及到任務(wù)切換，也許你想不到，任務(wù)切換竟 然也是并發(fā)編程里詭異 Bug 的源頭之一。任務(wù)切換的時(shí)機(jī)大多數(shù)是在時(shí)間片結(jié)束的時(shí)候， 我們現(xiàn)在基本都使用高級(jí)語(yǔ)言編程，高級(jí)語(yǔ)言里一條語(yǔ)句往往需要多條 CPU 指令完成，例 如上面代碼中的count += 1，至少需要三條 CPU 指令。

• 指令 1：首先，需要把變量 count 從內(nèi)存加載到 CPU 的寄存器；

• 指令 2：之后，在寄存器中執(zhí)行 +1 操作；

• 指令 3：最后，將結(jié)果寫(xiě)入內(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，可以發(fā)生在任何一條CPU 指令執(zhí)行完，是的，是 CPU 指令，而不 是高級(jí)語(yǔ)言里的一條語(yǔ)句。對(duì)于上面的三條指令來(lái)說(shuō)，我們假設(shè) count=0，如果線程 A 在指令 1 執(zhí)行完后做線程切換，線程 A 和線程 B 按照下圖的序列執(zhí)行，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn) 兩個(gè)線程都執(zhí)行了 count+=1 的操作，但是得到的結(jié)果不是我們期望的 2，而是 1。

我們潛意識(shí)里面覺(jué)得 count+=1 這個(gè)操作是一個(gè)不可分割的整體，就像一個(gè)原子一樣，線 程的切換可以發(fā)生在 count+=1 之前，也可以發(fā)生在 count+=1 之后，但就是不會(huì)發(fā)生 在中間。我們把一個(gè)或者多個(gè)操作在 CPU 執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性稱為原子性。

源頭之三：編譯優(yōu)化帶來(lái)的有序性問(wèn)題

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。
在 Java 領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)典的案例就是利用雙重檢查創(chuàng)建單例對(duì)象（DCL單例模式），例如下面的代碼：在獲取實(shí) 例 getInstance() 的方法中，我們首先判斷 instance 是否為空，如果為空，則鎖定 Singleton.class 并再次檢查 instance 是否為空，如果還為空則創(chuàng)建 Singleton 的一個(gè)實(shí)例。

    public class Singleton {
        static Singleton instance;

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

這看上去一切都很完美，無(wú)懈可擊，但實(shí)際上這個(gè) getInstance() 方法并不完美。問(wèn)題出 在哪里呢？出在 new 操作上，我們以為的 new 操作應(yīng)該是：

1. 分配一塊內(nèi)存 M；

2. 在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton 對(duì)象；

3. 然后 M 的地址賦值給 instance 變量。

但是實(shí)際上優(yōu)化后的執(zhí)行路徑卻是這樣的：

1. 分配一塊內(nèi)存 M；

2. 將 M 的地址賦值給 instance 變量；

3. 最后在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton 對(duì)象。

那么優(yōu)化后會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題呢？看下圖，相信你一定會(huì)明白了！

感謝各位的閱讀，以上就是“java可見(jiàn)性、原子性、有序性在并發(fā)場(chǎng)景下的原理”的內(nèi)容了，經(jīng)過(guò)本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)java可見(jiàn)性、原子性、有序性在并發(fā)場(chǎng)景下的原理這一問(wèn)題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！