【高并发】解密导致并发问题的第三个幕后黑手——有序性问题

大家好，我是冰河~~

今天继续给大家分享高并发编程相关的知识，今天给大家分享的是导致并发问题的第三个幕后黑手——有序性问题。好了，不多说了，开始今天的正题。

写在前面

大冰：小菜童鞋，昨天的内容复习了吗？

小菜：复习了大冰哥，昨天的内容干货满满啊，感觉自己收获很大。

大冰：那你说说昨天都讲了哪些内容呢？

小菜：昨天主要讲了原子性、线程切换和原子性问题，在编程语言中的一条语句可能会对应 CPU 中的多条指令，而 CPU 只能保证指令级别的原子性，不能保证编程语言级别的原子性，我们在编写并发程序时，需要自行确保编程语言级别语句的原子性。

大冰：很好，小菜童鞋，理解的不错，今天我们就来学习下引起并发编程各种诡异 Bug 的最后一个“幕后黑手”，也是最后一个引起并发编程 Bug 的源头。

有序性

有序性是指：按照代码的既定顺序执行。

说的通俗一点，就是代码会按照指定的顺序执行，例如，按照程序编写的顺序执行，先执行第一行代码，再执行第二行代码，然后是第三行代码，以此类推。如下图所示。

指令重排序

编译器或者解释器为了优化程序的执行性能，有时会改变程序的执行顺序。但是，编译器或者解释器对程序的执行顺序进行修改，可能会导致意想不到的问题！

在单线程下，指令重排序可以保证最终执行的结果与程序顺序执行的结果一致，但是在多线程下就会存在问题。

如果发生了指令重排序，则程序可能先执行第一行代码，再执行第三行代码，然后执行第二行代码，如下所示。

例如下面的三行代码。

int x = 1; int y = 2;int z = x + y;

CPU 发生指令重排序时，能够保证 x=1 和 y = 2 这两行代码在 z = x + y 这行代码的上面，而 x = 1 和 y = 2 的顺序就不一定了。在单线程下不会出现问题，但是在多线程下就不一定了。

有序性问题

CPU 为了对程序进行优化，会对程序的指令进行重排序，此时程序的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致，这就可能会引起有序性问题。

在 Java 程序中，一个经典的案例就是使用双重检查机制来创建单例对象。例如，在下面的代码中，在 getInstance()方法中获取对象实例时，首先判断 instance 对象是否为空，如果为空，则锁定当前类的 class 对象，并再次检查 instance 是否为空，如果 instance 对象仍然为空，则为 instance 对象创建一个实例。

package io.binghe.concurrent.lab01;
/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 测试单例 */public class SingleInstance {
    private static SingleInstance instance;
    public static SingleInstance getInstance(){        if(instance == null){            synchronized (SingleInstance.class){                if(instance == null){                    instance = new SingleInstance();                }            }        }        return instance;    }}

如果编译器或者解释器不会对上面的程序进行优化，整个代码的执行过程如下所示。

注意：为了让大家更加明确流程图的执行顺序，我在上图中标注了数字，以明确线程 A 和线程 B 执行的顺序。

假设此时有线程 A 和线程 B 两个线程同时调用 getInstance()方法来获取对象实例，两个线程会同时发现 instance 对象为空，此时会同时对 SingleInstance.class 加锁，而 JVM 会保证只有一个线程获取到锁，这里我们假设是线程 A 获取到锁。则线程 B 由于未获取到锁而进行等待。接下来，线程 A 再次判断 instance 对象为空，从而创建 instance 对象的实例，最后释放锁。此时，线程 B 被唤醒，线程 B 再次尝试获取锁，获取锁成功后，线程 B 检查此时的 instance 对象已经不再为空，线程 B 不再创建 instance 对象。

上面的一切看起来很完美，但是这一切的前提是编译器或者解释器没有对程序进行优化，也就是说 CPU 没有对程序进行重排序。而实际上，这一切都只是我们自己觉得是这样的。

在真正高并发环境下运行上面的代码获取 instance 对象时，创建对象的 new 操作会因为编译器或者解释器对程序的优化而出现问题。也就是说，问题的根源在于如下一行代码。

instance = new SingleInstance();

对于上面的一行代码来说，会有 3 个 CPU 指令与其对应。

1.分配内存空间。

2.初始化对象。

3.将 instance 引用指向内存空间。

正常执行的 CPU 指令顺序为 1—>2—>3，CPU 对程序进行重排序后的执行顺序可能为 1—>3—>2。此时，就会出现问题。

当 CPU 对程序进行重排序后的执行顺序为 1—>3—>2 时，我们将线程 A 和线程 B 调用 getInstance()方法获取对象实例的两种步骤总结如下所示。

【第一种步骤】

（1）假设线程 A 和线程 B 同时进入第一个 if 条件判断。

（2）假设线程 A 首先获取到 synchronized 锁，进入 synchronized 代码块，此时因为 instance 对象为 null，所以，此时执行 instance = new SingleInstance()语句。

（3）在执行 instance = new SingleInstance()语句时，线程 A 会在 JVM 中开辟一块空白的内存空间。

（4）线程 A 将 instance 引用指向空白的内存空间，在没有进行对象初始化的时候，发生了线程切换，线程 A 释放 synchronized 锁，CPU 切换到线程 B 上。

（5）线程 B 进入 synchronized 代码块，读取到线程 A 返回的 instance 对象，此时这个 instance 不为 null，但是并未进行对象的初始化操作，是一个空对象。此时，线程 B 如果使用 instance，就可能出现问题！！！

【第二种步骤】

（1）线程 A 先进入 if 条件判断，

（2）线程 A 获取 synchronized 锁，并进行第二次 if 条件判断，此时的 instance 为 null，执行 instance = new SingleInstance()语句。

（3）线程 A 在 JVM 中开辟一块空白的内存空间。

（4）线程 A 将 instance 引用指向空白的内存空间，在没有进行对象初始化的时候，发生了线程切换，CPU 切换到线程 B 上。

（5）线程 B 进行第一次 if 判断，发现 instance 对象不为 null，但是此时的 instance 对象并未进行初始化操作，是一个空对象。如果线程 B 直接使用这个 instance 对象，就可能出现问题！！！

在第二种步骤中，即使发生线程切换时，线程 A 没有释放锁，则线程 B 进行第一次 if 判断时，发现 instance 已经不为 null，直接返回 instance，而无需尝试获取 synchronized 锁。

我们可以将上述过程简化成下图所示。

总结

导致并发编程产生各种诡异问题的根源有三个：缓存导致的可见性问题、线程切换导致的原子性问题和编译优化带来的有序性问题。我们从根源上理解了这三个问题产生的原因，能够帮助我们更好的编写高并发程序。

写在最后

大冰：好了，今天就是我们讲的主要内容了，今天的内容同样最重要，回去后要好好复习。

小菜：好的，大冰哥，一定好好复习。

最后，附上并发编程需要掌握的核心技能知识图，祝大家在学习并发编程时，少走弯路。