Java並發編程實戰 01並發編程的Bug源頭
摘要
編寫正確的並發程序對我來說是一件極其困難的事情，由於知識不足，只知道synchronized這個修飾符進行同步。
本文為學習極客時間：Java並發編程實戰 01的總結，文章取圖也是來自於該文章
並發Bug源頭
在計算機系統中，程序的執行速度為：** CPU > 內存 > I/O設備 ** ，為了平衡這三者的速度差異，計算機體系機構、操作系統、編譯程序都進行了優化：
1.CPU增加了緩存，以均衡和內存的速度差異
2.操作系統增加了進程、線程，已分時復用CPU，以均衡 CPU 與 I/O 設備的速度差異
3.編譯程序優化指令執行順序，使得緩存能夠更加合理的利用。
但是這三者導致的問題為：可見性、原子性、有序性
源頭之一：CPU緩存導致的可見性問題
一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立即看到，那麼就稱為可見性。
現在多核CPU時代中，每顆CPU都有自己的緩存，CPU之間並不會共享緩存；
如線程A從內存讀取變量V到CPU-1，操作完成後保存在CPU-1緩存中，還未寫到內存中。
此時線程B從內存讀取變量V到CPU-2中，而CPU-1緩存中的變量V對線程B是不可見的
當線程A把更新後的變量V寫到內存中時，線程B才可以從內存中讀取到最新變量V的值
上述過程就是線程A修改變量V後，對線程B不可見，那麼就稱為可見性問題。
源頭之二：線程切換帶來的原子性問題
現代的操作系統都是基於線程來調度的，現在提到的「任務切換」都是指「線程切換」
Java並發程序都是基於多線程的，自然也會涉及到任務切換，在高級語言中，一條語句可能就需要多條CPU指令完成，例如在代碼 count += 1 中，至少需要三條CPU指令。
指令1：把變量 count 從內存加載到CPU的寄存器中
指令2：在寄存器中把變量 count + 1
指令3：把變量 count 寫入到內存（緩存機制導致可能寫入的是CPU緩存而不是內存）
操作系統做任務切換，可以發生在任何一條CPU指令執行完，所以並不是高級語言中的一條語句，不要被 count += 1 這個操作蒙蔽了雙眼。假設count = 0，線程A執行完 指令1 後 ，做任務切換到線程B執行了 指令1、指令2、指令3後，再做任務切換回線程A。我們會發現雖然兩個線程都執行了 count += 1 操作。但是得到的結果並不是2，而是1。
如果 count += 1 是一個不可分割的整體，線程的切換可以發生在 count += 1 之前或之後，但是不會發生在中間，就像個原子一樣。我們把一個或者多個操作在 CPU 執行的過程中不被中斷的特性稱為原子性
源頭之三：編譯優化帶來的有序性問題
有序性指的是程序按照代碼的先後順序執行。編譯器為了優化性能，可能會改變程序中的語句執行先後順序。如：a = 1; b = 2;，編譯器可能會優化成：b = 2; a = 1。在這個例子中，編譯器優化了程序的執行先後順序，並不影響結果。但是有時候優化後會導致意想不到的Bug。
在單例模式的雙重檢查創建單例對象中。如下代碼：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
問題出現在了new Singletion()這行代碼，我們以為的執行順序應該是這樣的：
指令1：分配一塊內存M
指令2：在內存M中實例化Singleton對象
指令3：instance變量指向內存地址M
但是實際優化後的執行路徑確實這樣的：
指令1：分配一塊內存M
指令2：instance變量指向內存地址M
指令3：在內存M中實例化Singleton對象
這樣的話看出來什麼問題了嗎？當線程A執行完了指令2後，切換到了線程B，
線程B判斷到 if (instance != null)。直接返回instance，但是此時的instance還是沒有被實例化的啊！所以這時候我們使用instance可能就會觸發空指針異常了。如圖：
總結
在寫並發程序的時候，需要時刻注意可見性、原子性、有序性的問題。在深刻理解這三個問題後，寫起並發程序也會少一點Bug啦~。記住了下面這段話：CPU緩存會帶來可見性問題、線程切換帶來的原子性問題、編譯優化帶來的有序性問題。
參考文章：極客時間：Java並發編程實戰 01 | 可見性、原子性和有序性問題：並發編程Bug的源頭
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