java并发问题_并发理论基础：并发问题产生的三大根源
并發問題變幻莫測，一談到并發就顯得非常高深，一般的程序員對于并發問題也是頭疼不已，但是隨著網絡互聯越來越普遍，大規模用戶訪問網站程序也越來越頻繁，并發問題又無法避免。
在我們解決并發問題前首先要理解產生并發問題的根源是什么，所有并發處理的工具只是針對這些根源問題的其中一種解決方案，如果只去了解解決方案而不理解問題的根源是什么，那么我們就很難正確的定位問題并對癥下藥。所以要寫好并發程序我們首先就要深入理解并發問題產生根源是什么？
起因：如何最大化的利用CPU
CPU運算速度和IO速度的不平衡一直是計算機優化的一個課題，我們都知道CPU運算速度要以百倍千倍程度快于IO的速度，而在進行任務的執行的時候往往都會需要進行數據的IO，正因為這種速度上的差異，所以當CPU和IO一起協作的時候就產生問題了，CPU執行速度非常快，一個任務執行時候大部分時間都是在等待IO工作完成，在等待IO的過程中CPU是無法進行其它工作的，所以這樣就使得CPU的資源根本無法合理的運用起來。
CPU就相當于我們計算機的大腦，如何把CPU資源合理的利用起來就直接關系到我們計算機的效率和性能，所以為了這個課題計算機分別從緩存、任務切換、指令排序優化這幾個方向進行了優化 。
一、進程和線程的產生
在最原始的系統里計算機內存中只能允許運行一個程序，這個時候的CPU的能力完全是過剩的，因為CPU在接收到一個任務之后絕大部分時間都是處在IO等待中，CPU根本就利用不起來，所以這個時候就需要一種同時運行多個程序的方法，這樣的話當CPU執行一個任務IO等待的時候可以切換到另外一個任務上去執行指令，不必在IO上浪費時間，那么CPU就能很大程度的利用起來，所以基于這種思路就產生了進程和線程。
有了進程后，一個內存可以劃分出不同的內存區域分別由多個進程管理，當一個進程IO阻塞的時候可以切換到另外一個進程執行指令，為了合理公平的把CPU分配到各個進程，CPU把自己的時間分為若干個單位的片段，每在一個進程上執行完一個單位的時間就切換到另外一個進程上去執行指令，這就是CPU的時間片概念。有了進程后我們的電腦就可以同時運行多個程序了，我們可以一邊看著電影一邊聊天，在CPU的利用率又進一步提升了CPU的利用率。
因為進程做任務切換需要切換內存映射地址，而一個進程創建的所有線程，都是共享一個內存空間的，所以線程做任務切換成本就很低了，現代的操作系統都基于更輕量的線程來調度，現在我們提到的“任務切換”都是指“線程切換”。
并發問題根源之一：CPU切換線程執導致的原子性問題
首先我們先理解什么叫原子性，原子性就指是把一個操作或者多個操作視為一個整體，在執行的過程不能被中斷的特性叫原子性。
因為IO、內存、CPU緩存他們的操作速度有著巨大的差距，假如CPU需要把CPU緩存里的一個變量寫入到磁盤里面，CPU可以馬上發出一條對應的指令，但是指令發出后的很長時間CPU都在等待IO的結束，而在這個等待的過程中CPU是空閑的。
所以為了提升CPU的利用率，操作系統就有了進程和時間片的概念，同一個進程里的所有線程都共享一個內存空間，CPU每執行一個時間段就會切換到另外一個進程處理指令，而這執行的時間長度是是以時間片(比如每個時間片為1毫秒)為單位的，通過這種方式讓CPU切換著不同的進程執行，讓CPU更好的利用起來，同時也讓我們不同的進程可以同時運行，我們可以一邊操作word文檔，一邊用QQ聊天。
后來操作系統又在CPU切換進程執行的基礎上做了進一步的優化，以更細的維度“線程”來切換任務執行，更加提高了CPU的利用率。但正是這種CPU可以在不同線程中切換執行的方式會使得我們程序執行的過程中產生原行性問題。
比如說我們以一個變量賦值為例：
語句1：Int number=0;
語句2：number=number+1;
在執行語句2的時候，我們的直覺number=number+1 是一個不可分割的整體，但是實際CPU操作過程中并非如此，我們的編譯器會把number=number+1 拆分成多個指令交給CPU執行。
number=number+1的指令可能如下：
指令1：CPU把number從內存拷貝到CPU緩存。
指令2：把number進行+1的操作。
指令3：把number回寫到內存。
在這個時候如果有多線程同時去操作number變量，就很有可能出現問題，因為CPU會在執行上面任何一個指令的時候切換線程執行指令，這個時候就可能出現執行結果與我們預期結果不符合的情況。
比如如果現在有兩個線程都在執行number=number+1，結果CPU執行流程可能會如下：
執行細節：
1、CPU先執行線程A的執行，把number=0拷貝到CUP寄存器。
2、然后CPU切換到線程B執行指令。
3、線程B 把number=0拷貝到CUP寄存器。
4、線程B 執行number=number+1 操作得到number=1。
5、線程B把number執行結果回寫到緩存里面。
6、然后CPU切換到線程A執行指令。
7、線程A執行number=number+1 操作得到numbe=1。
8、線程A把number執行結果回寫到緩存里面。
9、最后內存里面number的值為1。
二、高速緩存的產生
為了減少CPU等待IO的時間，讓CPU有更多的時間是花在運算上，最簡單的思路就是減少IO等待的時間，基于這個思路所以就有了高速緩存增加了高速緩存(L1,L2,L3,主存)。
在計算機系統中，CPU高速緩存是用于減少處理器訪問內存所需的時間，其容量遠小于內存，但其訪問速度卻是內存IO的幾十上百倍。當處理器發出內存訪問請求時，會先查看高速緩存內是否有請求數據。如果存在(命中)，則不需要訪問內存直接返回該數據；如果不存在(失效)，則要先把內存中的相應數據載入緩存，再將其返回處理器。
并發問題根源之二：緩存導致的可見性問題
在有了高速緩存之后，CPU的執行操作數據的過程會是這樣的，CPU首先會從內存把數據拷貝到CPU緩存區。
然后CPU再對緩存里面的數據進行更新等操作，最后CPU把緩存區里面的數據更新到內存。
磁盤、內存、CPU緩存會按如下形式協作。
緩存導致的可見性問題就是指我們在操作CPU緩存過程中，由于多個CPU緩存之間獨立不可見的特性，導致共享變量的操作結果無法預期。
在單核CPU時代，因為只有一個核心控制器，所以只會有一個CPU緩存區，這時各個線程訪問的CPU緩存也都是同一個，在這種情況一個線程把共享變量更新到CPU緩存后另外一個線程是可以馬上看見的，因為他們操作的是同一個緩存，所以他們操作后的結果不存在可見性問題。
而隨著CPU的發展，CPU逐漸發展成了多核，CPU可以同時使用多個核心控制器執行線程任務，當然CPU處理同時處理線程任務的速度也越來越快了，但隨之也產生了一個問題，多核CPU每個核心控制器工作的時候都會有自己獨立的CPU緩存，每個核心控制器都執行任務的時候都是操作的自己的CPU緩存，CPU1與CPU2它們之間的緩存是相互不可見的。
這種情況下多個線程操作共享變量就因為緩存不可見而帶來問題，多線程的情況下線程并不一定是在同一個CUP上執行，它們如果同時操作一個共享變量，但因為在不同的CPU執行所以他們只能查看和更新自己CPU緩存里的變量值，線程各自的執行結果對于別的線程來說是不可見的，所以在并發的情況下會因為這種緩存不可見的情況會導致問題出現。
比如下面的程序：
兩個線程同時調用addNumber() 方法對number屬性進行+1 ，循環10W次，等兩個線程執行結束后，我們的預期結果number的值應該是20000，可是我們在多核CPU的環境下執行結果并非我們預期的值。
public class TestCase {
?
private int number=0;
?
public void addNumber(){
for (int i=0;i<100000;i++){
number=number+1;
}
?
}
?
public static void main(String[] args) throws Exception {
TestCase testCase=new TestCase();
Thread threadA=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
testCase.addNumber();
}
});
?
Thread threadB=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
testCase.addNumber();
}
});
threadA.start();
threadB.start();
threadA.join();
threadB.join();
System.out.println("number="+testCase.number);
}
}
打印結果：
三、指令優化
進程和線程本質上是增加并行的任務數量來提升CPU的利用率，緩存是通過把IO時間減少來提升CPU的利用率，而指令順序優化的初衷的初衷就是想通過調整CPU指令的執行順序和異步化的操作來提升CPU執行指令任務的效率。
指令順序優化可能發生在編譯、CPU指令執行、緩存優化幾個階，其優化原則就是只要能保證重排序后不影響單線程的運行結果，那么就允許指令重排序的發生。其重排序的大體邏輯就是優先把CPU比較耗時的指令放到最先執行，然后在這些指令執行的空余時間來執行其他指令，就像我們做菜的時候會把熟的最慢的菜最先開始煮，然后在這個菜熟的時間段去做其它的菜，通過這種方式減少CPU的等待，更好的利用CPU的資源。
并發問題根源之三：指令優化導致的重排序問題
下面的程序代碼如果init()方法的代碼經過了指令重排序后，兩個方法在兩個不同的線程里面調用就可能出現問題。
private static int value;
private static boolean flag;
?
public static void init(){
value=8; //語句1 flag=true; //語句2 }
?
public static void getValue(){
if(flag){
System.out.println(value);
}
}
根據上面代碼，如果程序代碼運行都是按順序的，那么getValue() 中打印的value值必定是等于8的，不過如果init()方法經過了指令重排序，那么結果就不一定了。根據重排序原則，init()方法進行指令重排序重排序后并不會影響其運行結果，因為語句1和語句2之間沒有依賴關系。 所以進行重排序后代碼執行順序可能如下。
flag=true; //語句2 value=8; //語句1
如果init()方法經過了指令重排序后，這個時候兩個線程分別調用 init()和getValue()方法，那么就有可能出現下圖的情況，導致最終打印出來的value數據等于0。
總結
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