併發問題的三大根源是什麼？

1.前言

從程序與執行緒中我們瞭解到，一個任務中CPU的的運算速度要遠遠大於I0的速度，當CPU和IO一起協作時就容易產生問題，一個任務在等待I0的時候，CPU無法進行工作，所以後續為了提高CPU的利用率，程序中誕生執行緒，CPU新增快取，編譯程式最佳化指令執行次序，使得快取能夠得到更加合理地利用但是與之而來的，還有大量的併發問題。

2.CPU快取導致的可見性

在早期CPU是單核的時候，所有執行緒都在一個CPU上執行，CPU的快取與記憶體之間的資料一致性就很好解決了。CPU快取記憶體是用於減少CPU訪問記憶體所需的時間，提高CPU的使用率，一個執行緒的操作對於另一個執行緒來說是一定可以看到的。一個執行緒對共享變數的修改，另外一個執行緒能夠立刻看到，我們稱為可見性

隨著時間的發展，CPU變為多核的時候，由於CPU都有自己獨立的快取，當多個執行緒分別在不同的CPU上執行時，會把記憶體中操作的變數複製到自己的CPU快取中，處理完成後在寫入記憶體，這樣執行緒之間的可見性就無法保障了。

下面透過一段程式碼來驗證可見性問題

public class Test{

    private static long sum =0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //建立兩個執行緒，每個執行緒對sum進行加10000的操作

        Thread t1=new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10000;i++){
                sum++;
            }
        });
        Thread t2=new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10000;i++){
                sum++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        // 等待兩個執行緒執行結束
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(sum);
     }
}

透過看程式碼，直覺告訴我們最後輸出結果是20000，但是當實際執行時，我們發現每次的輸出結果都是小於20000的。

我們假設兩個執行緒同時執行，把sum=0載入到自己的CPU快取中，t1 t2兩個執行緒進行sum++的操作，此時各自快取中的sum值都是1，這時候把sum寫入到記憶體的時候，我們發現不是我們期望的2，而是1。

3.執行緒切換導致的原子性問題

我們知道執行緒是透過獲取CPU時間片來進行排程的，執行緒只有得到CPU時間片才能執行指令，處於執行狀態，沒有得到時間片的執行緒處於就緒狀態，等待系統分配下一個CPU時間片。

執行緒的排程模型目前主要分為兩種:分時排程模型和搶佔式排程模型。

1.分時排程模型:系統平均分配CPU時間片，所有執行緒輪流獲取CPU時間片

2.搶佔式排程:系統按照執行緒優先順序分配CPU時間片。優先順序高的執行緒優先分配CPU時間片，如果所有就緒執行緒的優先順序相同，那麼會隨機選擇一個，優先順序高的執行緒獲取的CPU時間片相對多一些。Java的執行緒排程模型採用的就是搶佔式排程。

我們知道所有的高階程式語言，都需要轉換成CPU指令，這樣CPU才能執行操作。就對於上述sum++這行操作，轉換成CPU指令後，至少有三條:

1.將sum變數從記憶體中載入到CPU暫存器。

2.在暫存器中執行+1操作。

3.將sum變數寫入到快取中

當執行第1步的時候，一個執行緒的時間片消耗完了，發生了執行緒切換，最後也會導致最終的結果是1而不是2。

我們看程式碼是一行，就感覺是一步就完成了，其實被分成這麼多條CPU指令，上述問題中的任務切換，還有可能發生在任何一步，所以我們在程式設計時需要注意程式碼層面的原子性:一個或者多個操作在 CPU 執行的過程中不被中斷的特性。

4.編譯最佳化導致的有序性問題

之前我們瞭解到CPU增加快取記憶體，程序中誕生執行緒等等為了提高CPU利用率的方式，其實在CPU內部執行CPU指令時，會調整每一步CPU指令的執行順序，來提升CPU的效率。指令順序最佳化可能發生在編譯、CPU指令執行、快取最佳化幾個階段，其最佳化原則就是隻要能保證重排序後不影響單執行緒的執行結果，那麼就允許指令重排序的發生。

一個物件的new操作，也不是原子性的，他分為下面三步:

1.給物件分配記憶體

2.在這塊記憶體上初始化物件

3.將這塊地址賦值給變數

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

在這個不正確的單例模式中，我們假設A B兩個執行緒同時呼叫getInstance方法，同時發現instance == null，但是有可能因為指令最佳化，導致並不是按照正常123的順序，當發生132的順序時，可能會出現下面的情況。

這時候可能就會發生空指標異常了，我們使用idea時，idea會提醒你為instance變數新增volatile變數，主要是為了解決上述的問題。之後我們再詳細介紹Java是如何解決這三大問題的。