并发编程三大核心问题的诞生：可见性、原子性和有序性

可见性

CPU缓存导致的可见性问题

描述

可见性指的是一个线程对共享变量的修改，另一个线程能够立刻看到。单核心情况下，所有线程操作的都是同一个CPU的缓存，一个线程对缓存的写，对另一个线程来说是可见的，但是在多核心情况下，每颗CPU都有自己的缓存，当线程分别在不同的CPU上操作时，共享变量一致性问题就出现了，这时一个线程对共享变量的操作对另一个线程而言就不具备可见性

图解

原子性

线程切换带来的原子性问题

描述

原子性指的是一个或多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性

案例

count += 1。执行这条语句至少需要三条CPU指令：1，将count变量从内存(或缓存)加载到CPU寄存器；2，在寄存器中执行count + 1操作；3， 将结果写入内存(或缓存)。操作系统的任务切换可能会发生在任何一条CPU指令执行完成后，因此这条语句的原子性将得无法保证

图解

有序性

编译器优化带来的有序性问题

描述

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行

案例

双重检测锁创建单例对象。创建过程大致分解为以下步骤：1，判断instance是否为null；2，分配一块内存M；3，在内存M上初始化单例对象；4，将M的地址赋值给instance变量。但是经过编译器优化后，指令3和4的顺序将颠倒，会先将M的地址赋值给instance变量，然后在内存M上初始化单例对象。如果当CPU指令执行完步骤3后切换为其他线程，则其他线程可能会返回未初始化的instance实例，这时访问就可能会触发空指针异常

代码

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

图解

补充

CPU、内存、I/O设备之间的速度差异。CPU增加缓存，以均衡与内存间的速度差异，操作系统增加了进程、线程以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备间的速度差异，编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理的利用

[参考资料] Java并发编程实战