并發的前提條件

并發問題發生的前提條件一定是資源共享，這里的資源一般指的是數據，共享指的是多線程之間共享。

也就是只有在多線程共享資源的情況下才可能產生并發問題，這是并發問題產生的前提條件，在這個條件下，有可能產生并發問題，那么并發問題的根源究竟是什么呢？

CPU操作數據的基本機制

前面提到了并發的前提條件是數據共享，想了解并發問題的根源就需要知道CPU操作數據的基本原理；

數據存儲包括這幾個位置：磁盤、內存、緩存、寄存器；

寄存器可以認為是CPU的一部分，所以有的地方并沒有將CPU和寄存器拆分講解，通常來講只需要知道CPU運算時都是從寄存器取數據，運算完成后再放回寄存器即可，CPU和寄存器之間沒有其他任何中介。

緩存是CPU與寄存器之外的一層存儲，但也是每一個CPU獨立占有的一塊內存區域，各個CPU緩存之間數據不可以共享。

內存是程序運行時數據的主要存放區域，內存數據是共享的，一般來講，各個CPU都可以訪問內存中的數據；

磁盤，數據最終持久化的存儲；

CPU操作數據的流程一般是先由磁盤讀到內存，再從內存讀到緩存，再由緩存到寄存器進行運算；運算之后的結果直接寫入寄存器，然后刷新到緩存，再刷新到內存，最后寫入磁盤；

程序數據流圖

并發問題的源頭

了解了CPU運行機制之后，下面說并發問題的根源，主要是由于數據可見性、操作原子性、操作有序性這三個原因導致的；

什么是數據可見性？

通俗點來說就是CPU看到的數據并不是最新的數據，CPU讀取數據是優先從緩存中讀取，如果緩存中存在就使用緩存中的數據，假如數據被另一個CPU改變了，這時其他CPU中緩存數據就可能與內存中的數據不一致，也就是CPU沒有看到并使用最新的數據，導致程序執行結果異常。

什么是操作原子性？

同一個CPU可以交替執行多個線程，不太了解的讀者可以初步學習一下CPU時間片與線程調度的基本知識。

在同一個CPU，交替執行多個線程的時候，就可能出現線程中斷，并且在中斷過程中受其他線程影響而導致中斷的線程恢復之后，執行邏輯異常。

比如：a線程執行count = count + 1操作，b線程也執行相同的操作；當a線程讀取到count的值，并進行加1計算之后，還沒寫回到內存之前被中斷，b線程完全執行了count = count + 1，count的值得到更新；這時a線程恢復（并不會重新讀取并計算），將之前計算的值寫回到緩存，導致count本來應該執行兩次加1，但最終結果只加了一次1；

什么是操作有序性？

有序性指的是CPU執行代碼的順序和程序開發者定義的順序不一致？為什么還會不一致呢？

編譯器在將高級開發語言編譯成計算機指令的時候，出于性能優化，可能會對代碼執行重排序，CPU在執行指令的時候，也可能對代碼重排序；當然重排序的前提是在單線程條件下的語義不變性，但不能保證多線程條件下語義也相同。

Java單例模式中的雙重校驗鎖，單例變量為什么要聲明為volatile，就是為了解決指令重排序帶來的問題，我們在下一章節進行詳細講解。感興趣的也可以自行查閱資料學習。

并發問題的解決方案

并發問題不是Java語言特有的，而是計算機運行原理與操作系統帶來的，那么從計算機與操作系統層面來看，它們都提供了哪些解決方案來避免數據可見性、程序原子性、操作有序性的保障呢？Java語言又是如何對這些方案進行封裝的呢？開發者有哪些手段可以解決這些問題呢？