【并发编程】并发编程的核心问题

前言

        缓存导致的不可见性问题，编译优化带来的乱序性问题，线程切换带来的非原子性问题。其实缓存、编译优化、线程切换的目的和我们写并发程序的目的是相同的，都是为了提高程序性能和安全性。但是技术在解决一个问题的同时，必然会带来另外一个问题，所以在采用一项技术的时候，一定要清楚它带来的问题是什么，如何去规避。

不可见性问题

        一个线程对共享变量的修改，另一个线程能够立刻看到。对于如今的多核处理器，每个CPU内核都有自己的缓存，而缓存仅对它所在的处理器内核可见，CPU缓存与内存的数据不容易保证一致。为了避免处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟，处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区合并对同一内存地址的多次写，并以批处理的方式刷新，也就是说写缓冲区不会即时将数据刷新到主内存中。缓存不能及时刷新导致了不可见性问题。                 

        Java内存模型设计有主内存和工作内存，模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。这里的工作内存是JMM的一个抽象概念，也叫本地内存，其存储了该线程读/写共享变量的副本。就像每个处理器内核拥有私有的高速缓存，JMM中每个线程拥有私有的本地内存。                                             

        总结来说，线程不能直接对主内存中的数据进行操作，必须将主内存中的数据加载到工作内存中，这样在多核CPU下就会产生不可见性，而我们的目标就是要做到可见性。volatile可以解决不可见性，volatile修饰的变量，当它被修改时，值会立即更新到主存，其他线程可以及时在内存中读取到最新值。

乱序性问题

        指令在执行过程中，为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，这样的改变可能会影响程序整个运行的结果。CPU在读等待同时指令执行是CPU乱序执行的根源，读指令时可以同时执行不影响的其他指令。被volatile修饰的变量，会禁止指令重排序，从而保证有序性。

非原子性问题

        原子的意思代表着“不可分”，一个或多个操作在CPU执行的过程中要么执行都成功，要么执行都失败，不可中断，不存在中间状态，我们称之为原子性。原子性是拒绝多线程交叉操作的，不论多核还是单核，具有原子性的量，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。CPU能保证的原子操作是CPU指令级别的，而不是高级语言的操作符。                                                                       

        线程切换导致了原子性问题，Java并发程序都是基于多线程的，自然也会涉及到任务切换，任务切换的时机大多数是在时间片结束的时候。我们现在基本都使用高级语言编程，高级语言里一条语句往往需要多条CPU指令完成。如 count++，至少需要三条CPU指令。                               

        指令1：首先，需要把变量 count 从内存加载到工作内存；                                                 

        指令2：之后，在工作内存执行 +1 操作；                                                                           

        指令3：最后，将结果写入内存。                                                                                           

        两个线程A和B同时执行 count++，即便 count 使用 volatile 修饰，我们预期的值是2，但实际可能是1。