并發編程安全問題：可見性、原子性和有序性

pcChao 發布于2019-08-16 18:23 / 647人閱讀

摘要：線程切換帶來的原子性問題我們把一個或者多個操作在執行的過程中不被中斷的特性稱為原子性。編譯優化帶來的有序性問題顧名思義，有序性指的是程序按照代碼的先后順序執行。

緩存導致的可見性問題

一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到，稱為可見性

在多核下，多個線程同時修改一個共享變量時，如++操作，每個線程操作的CPU緩存寫入內存的時機是不確定的。除非你調用CPU相關指令強刷。

線程切換帶來的原子性問題

我們把一個或者多個操作在CPU執行的過程中不被中斷的特性稱為原子性。

高級語言里一條語句往往需要多條CPU指令完成。例如count += 1，至少需要三條CPU指令：

指令1:首先，需要把變量count從內存加載到CPU的寄存器;

指令2:之后，在寄存器中執行+1操作;

指令3:最后，將結果寫入內存(緩存機制導致可能寫入的是CPU緩存而不是內存)。

操作系統做任務切換，可以發生在任何一條CPU指令執行完，而不是高級語言里的一條語句。

編譯優化帶來的有序性問題

顧名思義，有序性指的是程序按照代碼的先后順序執行。

public class Singleton {
    static Singleton instance;

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

在new操作上，我們以為的new操作應該是:

分配一塊內存M;

在內存M上初始化Singleton對象;

然后M的地址賦值給instance變量。

但是實際上優化后的執行路徑卻是這樣的:

分配一塊內存M;

將M的地址賦值給instance變量;

最后在內存M上初始化Singleton對象。

優化后會導致什么問題呢?我們假設線程A先執行getInstance()方法，當執行完指令2時恰好發生了線程切換，切換到了線程B 上;如果此時線程B也執行getInstance()方法，那么線程B在執行第一個判斷時會發現 instance != null ，所以直接返回 instance，而此時的instance是沒有初始化過的，如果我們這個時候訪問 instance 的成員變量就可能觸發空指針異常。

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