Java 并发-并发程序的特性

并发程序的背景

1. 冯诺依曼体系将计算机分为 CPU、运算器、存储器、输入设备、输出设备，奠定了经典计算机的发展

2. 尽管 CPU、内存、IO 设备不断向更快的方向进步，但三者的速度差异一直是核心矛盾

   • CPU - 内存：天上一天，地上一年
   • 内存 - IO：天上一天，地上十年

3. 为了缓解这一核心矛盾，计算机、操作系统、编译程序都做了相应的优化

   • CPU 增加缓存，均衡与内存的速度差异
   • 操作系统增加了进程、线程，分时复用 CPU，均衡 CPU 与 IO 的速度差异
   • 编译程序优化指令顺序，以提高缓存利用率

CPU 缓存技术、多线程技术、指令优化技术提高了程序的执行效率，但也使并发程序运行的问题暴露无遗

并发的可见性问题

1. 程序变量存储在内存中，CPU 读写变量时，会操作缓存中的变量副本，以提高运行效率

   注意：对于何时把数据从缓存写到内存，没有固定的时间

2. 在单核 CPU 机器上，线程操作同一个内核的缓存，多个线程看见的数据是统一的

3. 在多核 CPU 机器上，每一个核心都有独立的缓存，而线程被调度到不同的核心执行

   

对同一变量的操作，不同缓存中的变量副本在线程之间不立即可见，导致多线程对共享变量的操作结果错误

并发的原子性问题

1. 假若不考虑可见性问题，对于共享变量的非原子操作，也会引发错误的操作结果

2. CPU 只能保证每一条指令是原子执行的，但每一条程序语句是不一定的

   例如i += 1，完成这条语句执行需要 3 条指令

   指令 1：将变量 i 加入 CPU 寄存器
   指令 2：寄存器执行 +1 操作
   指令 3：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）
   

3. 操作系统进行多线程调度时，可能在任意指令执行完毕时进行线程切换

   

非原子的程序语句，在语句没有执行完毕就切换线程，导致共享变量被其他线程覆盖

并发的有序性问题

1. 编译器和 CPU 为了优化性能，会改变指令的执行顺序，在并发情况下可能会印象影响程序的运行结果

2. 一条语句可能是多条指令，这些指令的执行顺序可能会被重排

   例如双检锁实现单例模式

   public class SafeLazyMan {
       private static SafeLazyMan man;    
       public static SafeLazyMan instance() {
           if (man == null) { // 第一次检查
               synchronized (SafeLazyMan.class) {
                   if (man == null) { // 第二次检查
                       man = new SafeLazyMan();
                   }
               }
           }
           return man;
       }
   }
   

   为了防止有多个线程完成第一次检查，多次创建对象，增加获取锁之后的第二次检查，保证对象不被重复的创建，但是 new 对象操作分为分配内存、初始化对象、引用赋值三个指令

   指令重排后先对引用赋值，再初始化对象，会导致其他线程第一次检查时虽然不为 null 了，但其实没有对象，引发空指针问题

   

编译器和 CPU 对汇编指令的执行顺序的进行优化，可以缩短执行消耗的时钟周期，但可能会导致不符合并发程序运行的预期结果