詳析Java線程進(jìn)程的并發(fā)問題

并發(fā)的前提條件

并發(fā)問題發(fā)生的前提條件一定是資源共享，這里的資源一般指的是數(shù)據(jù)，共享指的是多線程之間共享。

也就是只有在多線程共享資源的情況下才可能產(chǎn)生并發(fā)問題，這是并發(fā)問題產(chǎn)生的前提條件，在這個條件下，有可能產(chǎn)生并發(fā)問題，那么并發(fā)問題的根源究竟是什么呢？

CPU操作數(shù)據(jù)的基本機(jī)制

前面提到了并發(fā)的前提條件是數(shù)據(jù)共享，想了解并發(fā)問題的根源就需要知道CPU操作數(shù)據(jù)的基本原理；

數(shù)據(jù)存儲包括這幾個位置：磁盤、內(nèi)存、緩存、寄存器；

寄存器可以認(rèn)為是CPU的一部分，所以有的地方并沒有將CPU和寄存器拆分講解，通常來講只需要知道CPU運(yùn)算時都是從寄存器取數(shù)據(jù)，運(yùn)算完成后再放回寄存器即可，CPU和寄存器之間沒有其他任何中介。

緩存是CPU與寄存器之外的一層存儲，但也是每一個CPU獨(dú)立占有的一塊內(nèi)存區(qū)域，各個CPU緩存之間數(shù)據(jù)不可以共享。

內(nèi)存是程序運(yùn)行時數(shù)據(jù)的主要存放區(qū)域，內(nèi)存數(shù)據(jù)是共享的，一般來講，各個CPU都可以訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)；

磁盤，數(shù)據(jù)最終持久化的存儲；

CPU操作數(shù)據(jù)的流程一般是先由磁盤讀到內(nèi)存，再從內(nèi)存讀到緩存，再由緩存到寄存器進(jìn)行運(yùn)算；運(yùn)算之后的結(jié)果直接寫入寄存器，然后刷新到緩存，再刷新到內(nèi)存，最后寫入磁盤；

程序數(shù)據(jù)流圖

并發(fā)問題的源頭

了解了CPU運(yùn)行機(jī)制之后，下面說并發(fā)問題的根源，主要是由于數(shù)據(jù)可見性、操作原子性、操作有序性這三個原因?qū)е碌模?/p>

什么是數(shù)據(jù)可見性？

通俗點來說就是CPU看到的數(shù)據(jù)并不是最新的數(shù)據(jù)，CPU讀取數(shù)據(jù)是優(yōu)先從緩存中讀取，如果緩存中存在就使用緩存中的數(shù)據(jù)，假如數(shù)據(jù)被另一個CPU改變了，這時其他CPU中緩存數(shù)據(jù)就可能與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，也就是CPU沒有看到并使用最新的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致程序執(zhí)行結(jié)果異常。

什么是操作原子性？

同一個CPU可以交替執(zhí)行多個線程，不太了解的讀者可以初步學(xué)習(xí)一下CPU時間片與線程調(diào)度的基本知識。

在同一個CPU，交替執(zhí)行多個線程的時候，就可能出現(xiàn)線程中斷，并且在中斷過程中受其他線程影響而導(dǎo)致中斷的線程恢復(fù)之后，執(zhí)行邏輯異常。

比如：a線程執(zhí)行count = count + 1操作，b線程也執(zhí)行相同的操作；當(dāng)a線程讀取到count的值，并進(jìn)行加1計算之后，還沒寫回到內(nèi)存之前被中斷，b線程完全執(zhí)行了count = count + 1，count的值得到更新；這時a線程恢復(fù)（并不會重新讀取并計算），將之前計算的值寫回到緩存，導(dǎo)致count本來應(yīng)該執(zhí)行兩次加1，但最終結(jié)果只加了一次1；

什么是操作有序性？

有序性指的是CPU執(zhí)行代碼的順序和程序開發(fā)者定義的順序不一致？為什么還會不一致呢？

編譯器在將高級開發(fā)語言編譯成計算機(jī)指令的時候，出于性能優(yōu)化，可能會對代碼執(zhí)行重排序，CPU在執(zhí)行指令的時候，也可能對代碼重排序；當(dāng)然重排序的前提是在單線程條件下的語義不變性，但不能保證多線程條件下語義也相同。

Java單例模式中的雙重校驗鎖，單例變量為什么要聲明為volatile，就是為了解決指令重排序帶來的問題，我們在下一章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解。感興趣的也可以自行查閱資料學(xué)習(xí)。

并發(fā)問題的解決方案

并發(fā)問題不是Java語言特有的，而是計算機(jī)運(yùn)行原理與操作系統(tǒng)帶來的，那么從計算機(jī)與操作系統(tǒng)層面來看，它們都提供了哪些解決方案來避免數(shù)據(jù)可見性、程序原子性、操作有序性的保障呢？Java語言又是如何對這些方案進(jìn)行封裝的呢？開發(fā)者有哪些手段可以解決這些問題呢？