前言

我们都知道，CPU，内存和I/O 设备都在不断更新迭代，速度提升越来越快，但是其中有一个非常显而易见的问题——那就是这三者的速度差异。速度等级划分：CPU > 内存 > I/O设备。根据木桶理论（一个桶最多能盛下多少水，取决于最短的那块木板）可以得出结论，程序整体的性能取决于最慢的操作，即读写IO设备。

程序里大部分语句都要访问内存，或者读写IO设备，但是这三者之间存在速度差异，为了平衡这三者的速度差异，计算机体系结构，操作系统和编译程序都做了优化：

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，以分时复用CPU，进而均衡CPU与IO设备的速度差异。
3、编译程序优化指令的执行次序，使得缓存能够更加合理的利用。
并发编程通常出现的问题解决方案逃不出上述这三种，下面我们详细说明。

缓存导致的可见性问题

目前项目上一般都用多核CPU，其中每个CPU都有自己的缓存，这时CPU缓存和内存数据就存在一致性问题。当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的不同的CPU缓存。

举个例子：
线程A操作的是CPU1上的缓存，线程B操作的是CPU2上的缓存，这个时候线程A对变量V的操作对于线程B来说就不具备可见性了。

可见性：一个线程对共享变量的修改，其他线程能够立刻看到，称为可见性。
解决可见性问题用volatile关键字就可以很好的解决。我们知道，volatile关键字是用来解决可见性，有序性问题的，被volatile关键字修饰的变量，会确保值的变化被其他线程所感知，从而从主存中取得该变量最新的值。

线程切换带来原子性问题

由于CPU会进行线程调度，任务切换，所以可能会导致同一个操作不能一次性执行完成，这时就会产生执行结果和我们预期不一致的问题。

Java并发程序是基于多线程的，那就会涉及到任务切换。举个例子来说明线程切换带来的问题：
执行count+=1，至少需要三条CPU指令：
1、指令1：需要把变量count从内存加载到CPU寄存器
2、指令2：在寄存器中执行加1操作
3、指令3：将结果写入内存（缓存机制导致写入的是CPU缓存而不是内存）

操作系统做任务切换，是可以发生在任何一条CPU指令执行完。如果线程A在指令1执行完后做线程切换，线程A和线程B会按照上图执行，最后的结果是1而不是期望得到的2。

原子性：把一个或多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性称为原子性。
Atomic类可以解决原子性问题。Atomic是原子性的轻量级实现。Atomic相关类在Java.util.concurrent.atomic包中。针对不同的原生类型及引用类型，有 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean、AtomicReference 等。另外还有数组对应类型 AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray。

对于上述例子，我们可以把count变量前用AtomicInteger修饰，即可保证操作的原子性。

编译优化带来的有序性问题

代码执行过程中，编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。例如程序中：“a=6;b=7;” 编译器优化后可能会变成“b=7;a=6;”。这种指令的重排序有时不影响程序的执行结果，但是也可能会导致你意想不到的bug。

Java中关于编译优化指令重排序造成的异常问题，典型案例就是双重检查创建单例对象。
假设有两个线程A，B同时调用getInstance方法，会同时发现instance==null，所以同时对Singleton.class 加锁，但是JVM只能保证一个线程加锁成功（假设是线程A），另外一个线程则会处于等待状态（线程B）；线程A会创建一个Singleton实例，之后释放锁，锁释放后，线程B被唤醒，线程B再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，加锁成功后，线程B检查install == null 时会发现，已经创建过Singleton实例了，所以线程B不会再创建一个Singleton实例。

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

理想情况是上述描述的。但是这个getInstance方法在new操作上会存在问题。
理想情况：
1、分配一块内存M
2、在内存M上初始化Singleton对象
3、然后M的地址赋值给instance变量

编译优化后：
1、分配一块内存M
2、然后M的地址赋值给instance变量
3、在内存M上初始化Singleton对象

编译优化后带来的问题：
假设线程A先执行getInstance方法，当执行完指令2时恰好发生了线程切换，切换到了线程B上；如果此时线程B也执行getInstance方法，那么线程B在执行第一个判断时会发现instance！=null，所以直接返回instance，而此时的instance是没有初始化过的，如果我们这个时候访问instance的成员变量可能触发空指针异常。

有序性：代码在运行期间保证按照编写的顺序，换句话说，代码执行的顺序和编写顺序一致。
解决有序性问题用volatile关键字也可以很好的解决。我们知道，volatile关键字是用来解决可见性，有序性问题的，被volatile关键字修饰的变量，会确保代码执行顺序和书写顺序一致，在变量前加volatile关键字可以保证有序性。

小结

只要我们能够深刻理解可见性、原子性、有序性在并发场景下的原理，很多并发 Bug 都是可以理解、可以诊断的。
缓存导致的可见性问题，线程切换带来的原子性问题，编译优化带来的有序性问题，其实缓存、线程、编译优化的目的和我们写并发程序的目的是相同的，都是提高程序性能。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同时，一定要清楚它带来的问题是什么，以及如何规避。

备注：本文参考了极客时间上的课程，欢迎大家一起讨论交流~