并发编程学习策略
01 | 并发Bug简析
1、导读
1）CPU、内存、I/O 设备的核心矛盾：三者的速度差异。
2） 两个形象的比喻
a、形象的比喻：若CPU 是天上一天，内存则是地上一年；假设 CPU 执行一条普通指令需要一天，那么 CPU 读写内存得等待一年的时间。
b、形象的比喻：若内存是天上一天，I/O 设备则是地上十年。
3）为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，CPU增加了缓存，操作系统引入了进程、线程，编程程序优化了指令执行次序。这些操作是引起并发bug的源头。
2、并发bug三源头
1）缓存导致的可见性问题
2）线程切换带来的原子性问题
3）编译优化带来的有序性问题
02 | 缓存导致的可见性问题
1、定义
1）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。
2、CPU缓存与内存简析
1）单核，所有线程都是操作同一个 CPU 的缓存，一个线程对缓存的写，对另外一个线程来说一定是可见的。
2）多核，每颗 CPU 都有自己的缓存，当多个线程在不同的 CPU 上执行时，这些线程操作的是不同的 CPU 缓存。
3）多核，这个就属于硬件程序员给软件程序员挖的“坑”
4）单-多核CPU的缓存与内存关系图
03 | 线程切换带来的原子性问题
1、定义
1）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。
2、简析高级语言的一条语句
1）先导：高级语言里一条语句往往需要多条 CPU 指令完成，例如count += 1，至少需要三条 CPU 指令。
2）分析：count += 1 的三条CPU指令
- 指令 1：首先，需要把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；
- 指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；
- 指令 3：最后，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）。
3、反直觉的地方
1）Java 并发程序都是基于多线程的，涉及任务切换，而任务切换也是并发编程里诡异 Bug 的源头之一。
2）操作系统做任务切换，可以发生在任何一条 CPU 指令执行完，是的，是 CPU 指令，而不是高级语言里的一条语句。
3）高级语言的一条语句，可能包含多条CPU指令。
4） CPU 能保证的原子操作是 CPU 指令级别的，而不是高级语言的操作符，因此需要在高级语言层面保证操作的原子性。
4、非原子操作简述
1）介绍：潜意识里面觉得 count+=1 这个操作是一个不可分割的整体，就像一个原子一样，但事实并非如此，线程切换可能会发生在其中。
2）非原子操作的执行路径示意图
04 | 编译优化带来的有序性问题
1、定义
1）有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。
2）编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，不过有时候编译器及解释器的优化可能导致意想不到的 Bug。
2、一个 例子：双重检查创建单例
1）因为编译优化，给 getInstance() 带来了意想不到的结果
2）我们以为的new操作：
- 分配一块内存 M；
- 在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
- 然后 M 的地址赋值给 instance 变量。
3）实际上优化后的执行路径却是这样的：
- 分配一块内存 M；
- 然后 M 的地址赋值给 instance 变量。
- 在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
3、双重检查创建单例的异常执行路径图
05 | 小结
1）并发程序经常出现的诡异问题，深究可以发现是直觉欺骗了我们。只要我们能够深刻理解可见性、原子性、有序性在并发场景下的原理，很多并发 Bug 都是可以理解、可以诊断的。
2）缓存、线程、编译优化的目的和我们写并发程序的目的是相同的，都是提高程序性能。但是，缓存导致了可见性问题，线程切换带来了原子性问题，编译优化带来了有序性问题。
3）技术在解决一个问题的同时，必然会带来另外一个问题，所以在采用一项技术的同时，一定要清楚它带来的问题是什么，以及如何规避。
06 | 思维导图
1、并发Bug源头思维导图
参考文献：
[1]王宝令. Java并发编程实战[M]. 极客时间, 2019.