並發Bug之源有三，請睜大眼睛看清它們

2019 年 10 月 3 日
筆記

寫在前面

生活中你一定聽說過——能者多勞

作為 Java 程式設計師，你一定聽過——這個功能請求慢，能加一層快取或優化一下 SQL 嗎？

看過中國古代神話故事的也一定聽過——天上一天，地上一年

一切設計來源於生活，上一章學並發編程，透徹理解這三個核心是關鍵中有講過，作為"資本家"，你要儘可能的榨取 CPU，記憶體與 IO 的剩餘價值，但三者完成任務的速度相差很大，CPU > 記憶體 > IO分，CPU 是天，那記憶體就是地，記憶體是天，那 IO 就是地，那怎樣平衡三者，提升整體速度呢？

CPU 增加快取，還不止一層快取，平衡記憶體的慢
CPU 能者多勞，通過分時復用，平衡 IO 的速度差異
優化編譯指令

上面的方式貌似解決了木桶短板問題，但同時這種解決方案也伴隨著產生新的可見性，原子性，和有序性的問題，且看

三大問題

可見性

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

談到可見性，要先引出 JMM (Java Memory Model) 概念, 即 Java 記憶體模型，Java 記憶體模型規定，將所有的變數都存放在 主記憶體 中，當執行緒使用變數時，會把主記憶體裡面的變數複製到自己的工作空間或者叫作 私有記憶體 ，執行緒讀寫變數時操作的是自己工作記憶體中的變數。

用 Git 的工作流程理解上面的描述就很簡單了，Git 遠程倉庫就是主記憶體，Git 本地倉庫就是自己的工作記憶體

文字描述有些抽象，我們來圖解說明:

看這個場景:

主記憶體中有變數 x，初始值為 0

執行緒 A 要將 x 加 1，先將 x=0 拷貝到自己的私有記憶體中，然後更新 x 的值

執行緒 A 將更新後的 x 值回刷到主記憶體的時間是不固定的

剛好在執行緒 A 沒有回刷 x 到主記憶體時，執行緒 B 同樣從主記憶體中讀取 x，此時為 0，和執行緒 A 一樣的操作，最後期盼的 x=2 就會編程 x=1

這就是執行緒可見性的問題

JMM 是一個抽象的概念，在實際實現中，執行緒的工作記憶體是這樣的:

為了平衡記憶體/IO 短板，會在 CPU 上增加快取，每個核都只有自己的一級快取，甚至有一個所有 CPU 都共享的二級快取，就是上圖的樣子了，都說這麼設計是硬體同學留給軟體同學的一個坑，但能否跳過去這個坑也是衡量軟體同學是否走向 Java 進階的關鍵指標吧……

小提示

從上圖中你也可以看出，在 Java 中，所有的實例域，靜態域和數組元素都存儲在堆記憶體中，堆記憶體在執行緒之間共享，這些在後續文章中都稱之為「共享變數」，局部變數，方法定義參數和異常處理器參數不會在執行緒之間共享，所以他們不會有記憶體可見性的問題，也就不受記憶體模型的影響

一句話，要想解決多執行緒可見性問題，所有執行緒都必須要刷取主記憶體中的變數
怎麼解決可見性問題呢？Java 關鍵字 volatile 幫你搞定，後續章節會分析……

原子性

原子（atom）指化學反應不可再分的基本微粒，原子性操作你應該能感受到其含義:

所謂原子操作是指不會被執行緒調度機制打斷的操作；這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何 context switch

小品「鐘點工」有一句非常經典的台詞，要把大象裝冰箱，總共分幾步？

來看一小段程式:

多執行緒情況下能得到我們期盼的 count = 20000 的值嗎？也許有同學會認為，執行緒調用的 counter 方法只有一個 count++ 操作，是單一操作，所以是原子性的，非也。在執行緒第一講中說過我們不能用高級語言思維來理解 CPU 的處理方式，count++ 轉換成 CPU 指令則需要三步，通過下面命令解析出彙編指令等資訊:

javap -c UnsafeCounter

截取 counter 方法的彙編指令來看:

解釋一下上面的指令，
16 : 獲取當前 count 值，並且放入棧頂
19 : 將常量 1 放入棧頂
20 : 將當前棧頂中兩個值相加，並把結果放入棧頂
21 : 把棧頂的結果再賦值給 count

由此可見，簡單的 count++ 不是一步操作，被轉換為彙編後就不具備原子性了，就好比大象裝冰箱，其實要分三步:

第一步，把冰箱門打開；第二步，把大象放進去；第三步，把冰箱門帶上

結合 JMM 結構圖理解，說明一下為什麼很難得到 count=20000 的結果:

多執行緒計數器，如何保證多個操作的原子性呢？最粗暴的方式是在方法上加 synchronized 關鍵字，比如這樣:

問題是解決了，如果 synchronized 是萬能良方，那麼也許並發就沒那麼多事了，可以靠一個 synchronized 走天下了，事實並不是這樣，synchronized 是獨佔鎖 (同一時間只能有一個執行緒可以調用)，沒有獲取鎖的執行緒會被阻塞；另外也會帶來很多執行緒切換的上下文開銷

所以 JDK 中就有了非阻塞 CAS (Compare and Swap) 演算法實現的原子操作類 AtomicLong 等工具類，看過源碼的同學也許會發現一個共同特點，所有原子類中都有下面這樣一段程式碼:

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

這個類是 JDK 的 rt.jar 包中的 Unsafe 類提供了 硬體級別 的原子性操作，類中的方法都是 native 修飾的，後面介紹原子類之前也會先說明這個類中的幾個方法，這裡先簡單介紹有個印象即可。

有同學不理解我剛剛提到的執行緒上下文切換開銷很大是什麼意思，舉 2個例子你就懂了:

你(CPU)在看兩本書(兩個執行緒)，看第一本書很短時間後要去看第二本書，看第二本書很短時間後又回看第一本書，並要精確的記得看到第幾行，當初看到了什麼(CPU 記住執行緒級別的資訊)，當讓你 "同時" 看 10 本甚至更多，切換的開銷就很大了吧

綜藝節目中有很多遊戲，讓你一邊數錢，又要一邊做其他的事，最終保證多樣事情都做正確，大腦開銷大不大，你試試就知道了?

有序性

生活中你問候他人「吃了嗎你？」和「你吃了嗎？」是一個意思，你寫的是下面程式:

a = 1；  b =  2;  System.out.println(a);  System.out.println(b);

編譯器優化後可能就變成了這樣:

b =  2;  a = 1；  System.out.println(a);  System.out.println(b);

這個情況，編譯器調整了語句順序沒什麼影響，但編譯器擅自優化順序，就給我們埋下了雷，比如應用雙重檢查方式實現的單例

一切又很完美是不是，非也，問題出現在 instance = new Singleton();，這 1 行程式碼轉換成了 CPU 指令後又變成了 3 個，我們理解 new 對象應該是這樣的:

分配一塊記憶體 M
在記憶體 M 上初始化 Singleton 對象
然後 M 的地址賦值給 instance 變數

但編譯器擅自優化後可能就變成了這樣:

分配一塊記憶體 M
然後將 M 的地址賦值給 instance 變數
在記憶體 M 上初始化 Singleton 對象

首先 new 對象分了三步，給 CPU 留下了切換執行緒的機會；另外，編譯器優化後的順序可能導致問題的發生，來看:

執行緒 A 先執行 getInstance 方法，當執行到指令 2 時，恰好發生了執行緒切換

執行緒 B 剛進入到 getInstance 方法，判斷 if 語句 instance 是否為空

執行緒 A 已經將 M 的地址賦值給了 instance 變數，所以執行緒 B 認為 instance 不為空

執行緒 B 直接 return instance 變數

CPU 切換回執行緒 A，執行緒 A 完成後續初始化內容

我們還是畫個圖說明一下:

如果執行緒 A 執行到第 2 步，執行緒切換，由於執行緒 A 沒有把紅色箭頭執行完全，執行緒 B 就會得到一個未初始化完全的對象，訪問 instance 成員變數的時候就可能發生 NPE，如果將變數 instance 用 volatile 或者 final 修飾(涉及到類的載入機制，可看我之前寫的文章: 雙親委派模型：大廠高頻面試題，輕鬆搞定)，問題就解決了.

總結

你所看到的程式並不一定是編譯器優化/編譯後的 CPU 指令，大象裝冰箱是是個程式，但其隱含三個步驟，學習並發編程，你要按照 CPU 的思維考慮問題，所以你需要深刻理解 可見性/原子性/有序性 ，這是產生並發 Bug 的源頭

本節說明了三個問題，下面的文章也會逐個分析解決以上問題的辦法，以及相對優的方案，請持續關注，另外關於並發的測試程式碼我都會按例上傳到 github，公眾號回復「demo」——> concurrency 獲取更多內容

靈魂追問

為什麼用 final 修飾的變數就是執行緒安全的了呢？
你會經常查看 CPU 彙編指令嗎？
如果讓你寫單例，你通常會採用哪種實現？

提高效率工具

Material Theme UI

這是一款 IDEA 的主題插件，安裝後，選擇 Material Palenight 主題，同時作出如下設置

設置完後，你的 IDEA 就是下面這樣，引起極度舒適

——–