写在前面

  • 生活中你一定听说过——能者多劳
  • 作为 Java 程序员，你一定听过——这个功能请求慢，能加一层缓存或优化一下 SQL 吗？
  • 看过中国古代神话故事的也一定听过——天上一天，地上一年

一切设计来源于生活，上一章 学并发编程，透彻理解这三个核心是关键 中有讲过，作为"资本家"，你要尽可能的榨取 CPU，内存与 IO 的剩余价值，但三者完成任务的速度相差很大，CPU > 内存 > IO分，CPU 是天，那内存就是地，内存是天，那 IO 就是地，那怎样平衡三者，提升整体速度呢？

  1. CPU 增加缓存，还不止一层缓存，平衡内存的慢
  2. CPU 能者多劳，通过分时复用，平衡 IO 的速度差异
  3. 优化编译指令

上面的方式貌似解决了木桶短板问题，但同时这种解决方案也伴随着产生新的可见性，原子性，和有序性的问题，且看

三大问题

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，我们称为可见性

谈到可见性，要先引出 JMM (Java Memory Model) 概念, 即 Java 内存模型，Java 内存模型规定，将所有的变量都存放在 主内存 中，当线程使用变量时，会把主内存里面的变量 复制 到自己的工作空间或者叫作 私有内存 ，线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量。

用 Git 的工作流程理解上面的描述就很简单了，Git 远程仓库就是主内存，Git 本地仓库就是自己的工作内存

文字描述有些抽象，我们来图解说明:

看这个场景:

  1. 主内存中有变量 x，初始值为 0
  2. 线程 A 要将 x 加 1，先将 x=0 拷贝到自己的私有内存中，然后更新 x 的值
  3. 线程 A 将更新后的 x 值回刷到主内存的时间是不固定的
  4. 刚好在线程 A 没有回刷 x 到主内存时，线程 B 同样从主内存中读取 x，此时为 0，和线程 A 一样的操作，最后期盼的 x=2 就会编程 x=1

这就是线程可见性的问题

JMM 是一个抽象的概念，在实际实现中，线程的工作内存是这样的:

为了平衡内存/IO 短板，会在 CPU 上增加缓存，每个核都只有自己的一级缓存，甚至有一个所有 CPU 都共享的二级缓存，就是上图的样子了，都说这么设计是硬件同学留给软件同学的一个坑，但能否跳过去这个坑也是衡量软件同学是否走向 Java 进阶的关键指标吧......

小提示

从上图中你也可以看出，在 Java 中，所有的实例域，静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享，这些在后续文章中都称之为「共享变量」，局部变量，方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，所以他们不会有内存可见性的问题，也就不受内存模型的影响

一句话，要想解决多线程可见性问题，所有线程都必须要刷取主内存中的变量

怎么解决可见性问题呢？Java 关键字 volatile 帮你搞定，后续章节会分析......

原子性

原子（atom）指化学反应不可再分的基本微粒，原子性操作你应该能感受到其含义:

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch

小品「钟点工」有一句非常经典的台词，要把大象装冰箱，总共分几步？

来看一小段程序:

多线程情况下能得到我们期盼的 count = 20000 的值吗？ 也许有同学会认为，线程调用的 counter 方法只有一个 count++ 操作，是单一操作，所以是原子性的，非也。在线程第一讲中说过我们不能用高级语言思维来理解 CPU 的处理方式，count++ 转换成 CPU 指令则需要三步，通过下面命令解析出汇编指令等信息:

javap -c UnsafeCounter

截取 counter 方法的汇编指令来看:

解释一下上面的指令，

16 : 获取当前 count 值，并且放入栈顶

19 : 将常量 1 放入栈顶

20 : 将当前栈顶中两个值相加，并把结果放入栈顶

21 : 把栈顶的结果再赋值给 count

由此可见，简单的 count++ 不是一步操作，被转换为汇编后就不具备原子性了，就好比大象装冰箱，其实要分三步:

第一步，把冰箱门打开；第二步，把大象放进去；第三步，把冰箱门带上

结合 JMM 结构图理解，说明一下为什么很难得到 count=20000 的结果:

多线程计数器，如何保证多个操作的原子性呢？最粗暴的方式是在方法上加 synchronized 关键字，比如这样:

问题是解决了，如果 synchronized 是万能良方，那么也许并发就没那么多事了，可以靠一个 synchronized 走天下了，事实并不是这样，synchronized 是独占锁 (同一时间只能有一个线程可以调用)，没有获取锁的线程会被阻塞；另外也会带来很多线程切换的上下文开销

所以 JDK 中就有了非阻塞 CAS (Compare and Swap) 算法实现的原子操作类 AtomicLong 等工具类，看过源码的同学也许会发现一个共同特点，所有原子类中都有下面这样一段代码:

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

这个类是 JDK 的 rt.jar 包中的 Unsafe 类提供了 硬件级别 的原子性操作，类中的方法都是 native 修饰的，后面介绍原子类之前也会先说明这个类中的几个方法，这里先简单介绍有个印象即可。

有同学不理解我刚刚提到的线程上下文切换开销很大是什么意思，举 2个例子你就懂了: