并发bug产生的源头
在程序的运行中，需要不断使用到CPU，内存和IO设备（输入/输出设备，就是指可以与计算机进行数据传输的硬件），但是在计算机发展的过程中，这三者的速度始终存在差异，其中他们的速度比较是CPU>内存>>io。
由于程序在跑的过程中频繁需要使用CPU,内存和IO，所以单一提升其中一个操作的速度，无法使整体程序变快，程序运行速度取决于速度最慢的操作。
为了合理利用CPU的高性能，平衡三者的速度差异，各个部分都做出了相应的优化，但是优化了速度，却带来了编程中出现的bug。
设备优化带来可见性，原子性，有序性问题
- CPU缓存：产生了可见性问题
定义：一个线程对变量的修改，对于另一个线程来说是可见的，称为可见性。
CPU增加了缓存（CPU缓存：L1,L2,L3），去均衡与内存的速度差异（当程序发出内存访问请求时，CPU会先查询缓存中是否存在请求数据，如果有就直接返回，没有的话就将内存中的数据加载进缓存中并且返回处理器。具体内容参考：CPU缓存）
当两个线程去操作不同CPU上面的变量时候，CPU1上的缓存对CPU2上的缓存不可见，所以线程1对CPU1上的变量V进行修改，线程2无法立刻获取到线程1对变量V的修改，导致可见性问题的产生（如下图）。
- 分时复用：产生了原子性问题
定义：一个或多个操作在CPU执行的过程中不被中断，称为原子性。
当一个操作系统运行的过程中，进程（或线程）运行了一小段时间，操作系统就会重新选取一个新的进程（或线程）来运行，我们将这种行为称为任务切换，运行的这一小段时间，我们称为时间片。
在操作系统中增加线程与进程，以分时复用（同步分时复用，异步分时复用）CPU，从而均衡CPU与IO之间的性能差距。具体原理：在IO请求中，存在读和写两种操作，而在通讯中，等待是必然的。也就是说明，IO操作中有时候是忙碌的，有时候是空闲的，而在空闲的时候CPU可以使用分时复用去操作其他IO操作，从而减少等待IO的时间。也就是说，当一个进程（或线程）把自己标记成空闲状态时候，会交出CPU的使用权给其他进程（或线程），等待进程（或线程）被重新唤醒之后会重新获得CPU使用权。
JAVA高并发基于多线程操作，所以在程序运行过程中，发生任务切换是必然的现象。任务切换发生在时间片结束的时候，在高级语言里，一句代码需要多条CPU指令来完成，例如当i++的时候，CPU至少需要3条指令完成。
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- 将i从内存加载到cpu寄存器上。
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- 进行i+1操作。
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- 将i的值写入内存或CPU缓存中。
而在操作系统中，发生任务切换的时刻可以是任意一个CPU指令的结束而非高级语言中的一行代码。 我们启动两个线程分别执行i++时候，假设i=0，当线程1进行完指令1的时候发生了任务切换，切换到了线程2，而线程2在执行过程中没有发生任务切换，执行完i+1操作后将i=1回写到内存或cpu缓存中，此时线程2运行结束切换至线程1，线程1将寄存器中的i=0执行了指令2，指令3之后，将i=1回写到内存或cpu缓存中。因此，两条线程执行完之后我们发现i=1而不是=2，具体执行流程如下所示。
- 编译优化：产生了有序性的问题
定义：程序按照代码先后顺序执行，称为有序性。
有时候，编译器为了优化执行速度，经常会改变程序的执行顺序，虽然最终结果不会变，但是在调整程序的执行顺序过程中，可能会因为任务切换导致发生bug。
在Java里，有一个双重检测的饿汉式单例模式，其代码如下：
public class Singleton {
static Singleton instance;
static Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
在new Singleton()的时候，我们认为的执行顺序是：
- 1.分配一块内存
- 2.在分配的内存上初始化singleton对象
- 3.将分配的内存地址赋值给instance 变量 但是实际的执行顺序是：
- 1.分配一块内存
- 2.将分配的内存地址赋值给instance 变量
- 3.在分配的内存上初始化singleton对象
如果执行完指令2的时候发生了任务切换，另一个线程来获取instance变量，由于内存地址已经赋值给instance变量，所以将直接返回instance，而此时的instance未实例化，使用未实例化的instance去获取singleton的其他成员变量，将导致空指针问题出现，这是执行优化所带来的有序性问题。
参考文献
王宝令《Java并发编程实战》
汀雨笔记《干货，肝了一周的CPU缓存基础》juejin.cn/post/693224…
