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并发编程理论基础——可见性、原子性和有序性问题（一）

news 2025/9/17 5:09:58

核心问题：分工，同步，互斥

  1. 分工：如何高效地拆解任务并分配给线程
    • 生产者-消费者模式、Thread-Per-Message模式、Worker-Thread模式、ComplateableFuture和CompletionService
    • Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是一种分工方法
  2. 同步：线程之间如何协作
    • 一个线程执行完了一个任务，如何通知执行后续任务的线程开工
    • Java SDK 里提供的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger
  3. 互斥：保证同一时刻只允许一个线程访问共享资源
    • 导致不确定的主要源头是可见性问题、有序性问题和原子性问题
    • Java SDK 里提供的 ReadWriteLock、StampedLock 可以优化读多写少场景下锁的性能

可见性、原子性和有序性问题

  1. 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
  2. 原子性：我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性
  3. 有序性：Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
  4. 缓存导致的可见性问题：当多个线程在不同的 CPU 上修改同一个变量时，因为多个线程不是同时启动的，有一个时差可能会导致值不一样。
  5. 线程切换带来的原子性问题：
    1. 首先将变量从内存中加载到CPU寄存器
    2. 之后执行操作
    3. 最终将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）
  6. （单例模式的双重检测，new指令也是3步操作，①分内存②初始化③赋值给引用变量，可能会发生①③②的重排序，这时候如果又有操作系统的分时操作的加持，导致A操作①③后挂起，时间片被分配给了B线程，而B线程甚至都不需要进行锁的获取，因为此时instance已经不等于null了，但是此时的instance可能未初始化）

 

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