详析Java线程进程的并发问题

并发的前提条件

并发问题发生的前提条件一定是资源共享，这里的资源一般指的是数据，共享指的是多线程之间共享。

也就是只有在多线程共享资源的情况下才可能产生并发问题，这是并发问题产生的前提条件，在这个条件下，有可能产生并发问题，那么并发问题的根源究竟是什么呢？

CPU操作数据的基本机制

前面提到了并发的前提条件是数据共享，想了解并发问题的根源就需要知道CPU操作数据的基本原理；

数据存储包括这几个位置：磁盘、内存、缓存、寄存器；

寄存器可以认为是CPU的一部分，所以有的地方并没有将CPU和寄存器拆分讲解，通常来讲只需要知道CPU运算时都是从寄存器取数据，运算完成后再放回寄存器即可，CPU和寄存器之间没有其他任何中介。

缓存是CPU与寄存器之外的一层存储，但也是每一个CPU独立占有的一块内存区域，各个CPU缓存之间数据不可以共享。

内存是程序运行时数据的主要存放区域，内存数据是共享的，一般来讲，各个CPU都可以访问内存中的数据；

磁盘，数据最终持久化的存储；

CPU操作数据的流程一般是先由磁盘读到内存，再从内存读到缓存，再由缓存到寄存器进行运算；运算之后的结果直接写入寄存器，然后刷新到缓存，再刷新到内存，最后写入磁盘；

程序数据流图

并发问题的源头

了解了CPU运行机制之后，下面说并发问题的根源，主要是由于数据可见性、操作原子性、操作有序性这三个原因导致的；

什么是数据可见性？

通俗点来说就是CPU看到的数据并不是最新的数据，CPU读取数据是优先从缓存中读取，如果缓存中存在就使用缓存中的数据，假如数据被另一个CPU改变了，这时其他CPU中缓存数据就可能与内存中的数据不一致，也就是CPU没有看到并使用最新的数据，导致程序执行结果异常。

什么是操作原子性？

同一个CPU可以交替执行多个线程，不太了解的读者可以初步学习一下CPU时间片与线程调度的基本知识。

在同一个CPU，交替执行多个线程的时候，就可能出现线程中断，并且在中断过程中受其他线程影响而导致中断的线程恢复之后，执行逻辑异常。

比如：a线程执行count = count + 1操作，b线程也执行相同的操作；当a线程读取到count的值，并进行加1计算之后，还没写回到内存之前被中断，b线程完全执行了count = count + 1，count的值得到更新；这时a线程恢复（并不会重新读取并计算），将之前计算的值写回到缓存，导致count本来应该执行两次加1，但最终结果只加了一次1；

什么是操作有序性？

有序性指的是CPU执行代码的顺序和程序开发者定义的顺序不一致？为什么还会不一致呢？

编译器在将高级开发语言编译成计算机指令的时候，出于性能优化，可能会对代码执行重排序，CPU在执行指令的时候，也可能对代码重排序；当然重排序的前提是在单线程条件下的语义不变性，但不能保证多线程条件下语义也相同。

Java单例模式中的双重校验锁，单例变量为什么要声明为volatile，就是为了解决指令重排序带来的问题，我们在下一章节进行详细讲解。感兴趣的也可以自行查阅资料学习。

并发问题的解决方案

并发问题不是Java语言特有的，而是计算机运行原理与操作系统带来的，那么从计算机与操作系统层面来看，它们都提供了哪些解决方案来避免数据可见性、程序原子性、操作有序性的保障呢？Java语言又是如何对这些方案进行封装的呢？开发者有哪些手段可以解决这些问题呢？