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Java并发编程之可见性、原子性和有序性

news 来源：原创 2025/9/12 4:54:54

引言

CPU缓存与内存产生的一致性问题（可见性）
CPU时间片切换产生的原子性问题
CPU指令编译优化产生的有序性问题

并发编程问题的根源

CPU、内存、I/O设备三者速度差异一直是 核心矛盾 三者速度差异可形象描述为：天上一天(CPU)，地上一年(内存)，地下十年(I/O) 根据木桶理论，程序整体性能取决于最慢的操作-读写I/O设备，可见单方面提高CPU性能是无效的。

为了合理利用CPU的高性能，平衡三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做了努力：

  1. CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异
  2. 操作系统增加了进程、线程，以及分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异
  3. 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理的利用

1.1 源头之一：缓存导致的可见性问题

什么是可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

但是多核时代，每颗 CPU 都有自己的缓存， CPU 缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了
在这里插入图片描述

    private int count = 0;@Testpublic void testDemoAdd() throws InterruptedException {Thread thread01 = new Thread(this::add);Thread thread02 = new Thread(this::add);thread01.start();thread02.start();thread01.join();thread02.join();System.out.println("count = " + count);}public void add(){for (int i = 0; i < 10000; i++) {count+=1;}}

1.2 源头之二：线程切换带来的原子性问题

CPU时间片
在这里插入图片描述
示例：count += 1，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 CPU 的寄存器；
指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；
指令 3：最后，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）。

带来可能问题
在这里插入图片描述
原子性：一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性 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

1.3 源头之三：编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行

示例：利用双重检查创建单例对象

    // volatile 存在是保证内存的可见性，禁止指令重排序// 原因：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。// 但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，// 然后再去初始化这个Singleton实例// 举例： 重排序会 导致 step2 和 step3 执行的顺序颠倒// 创建对象的步骤：step1：在内存中分配一块空间。step2：对内存空间进行初始化。step3：把对象在内存中的位置指向 instance。// 现在假设有两个线程T1、T2，T1 线程执行完重排序后的 step3 ，CPU 的执行权被 T2 获得。这个时候，instance 已经不为 null 了，// 他指向了内存中的一块地址。T2 执行到第一个 if 的时候，发现 instance 不为 null，就直接返回，但是这个 instance 并没有被初始化，// 这就会导致 T2 在执行的过程中发生不可预知的错误。private volatile static DoubleCheckSingleton singleton;private DoubleCheckSingleton() {}public static DoubleCheckSingleton getInstance() {// 检查是否已经被创建——第一个 if 可以避免频繁加锁，如果没有第一个 if，它就会直接尝试获取锁资源if (singleton == null) {// 同步块synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {// 再次检测是否被创建----双重检测// 第二个if是避免重复创建线程，破坏单例// 现假设有两个 T1 和 T2，T1 执行到同步块时，CPU 的执行权被 T2 抢夺走，T2 执行完成之后创建了一个对象实例，// 并且释放 Java 的类锁。这个时候 T1 又重新获得了 CPU 的执行权，并且获得了类锁。// 如果没有第二个 if 的判断，T1 又会重新创建一个 实例对象，这样就破坏了单例。if (singleton == null) {// 标记3singleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return singleton;}

new的理论顺序：

  1. 分配一块内存M
  2. 在内存M上初始化Singleton对象
  3. M的地址赋值给instance变量

经过编译器实际优化后：分配一块内存M，带来问题：
在这里插入图片描述

总结

可见性是一个线程对共享变量的修改，另一个线程能够立刻看到，如果不能立刻看到，就可能会产生可见性问题。在单核CPU上是不存在可见性问题的，可见性问题主要存在于运行在多核CPU上的并发程序。归根结底，可见性问题还是由CPU的缓存导致的，而缓存导致的可见性问题是导致诸多诡异的并发编程问题的“幕后黑手”之一。我们只有深入理解了缓存导致的可见性问题，并在实际工作中时刻注意避免可见性问题，才能更好的编写出高并发程序。

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