并发编程Bug的源头-原子性

因为IO太慢，早期的操做系统就发明了多进程，即使在单核的CPU上咱们也能够一边听着歌，一边写Bug，这个就是多进程的功劳。操做系统容许某个进程执行一小段时间，例如50毫秒，过了50毫秒操做系统就会从新选择一个进程来执行（咱们称为“任务切换”），这个50毫秒称为“时间片”。

在一个时间片内，若是一个进程进行一个IO操做，例如读个文件，这个时候该进程能够把本身标记为“休眠状态”并出让CPU的使用权，待文件读进内存，操做系统会把这个休眠的进程唤醒，唤醒后的进程就有机会从新得到CPU的使用权了。这里的进程在等待IO时之因此会释放CPU使用权，是为了让CPU在这段等待时间里能够作别的事情，这样一来CPU的使用率就上来了；此外，若是这时有另一个进程也读文件，读文件的操做就会排队，磁盘驱动在完成一个进程的读操做后，发现有排队的任务，就会当即启动下一个读操做，这样IO的使用率也上来了。早期的操做系统基于进程来调度CPU，不一样进程间是不共享内存空间的，因此进程要作任务切换就要切换内存映射地址，而一个进程建立的全部线程，都是共享一个内存空间的，因此线程作任务切换成本就很低了。现代的操做系统都基于更轻量的线程来调度，如今咱们提到的“任务切换”都是指“线程切换”。Java并发程序都是基于多线程的，天然也会涉及到任务切换，也许你想不到，任务切换居然也是并发编程里诡异Bug的源头之一。任务切换的时机大多数是在时间片结束的时候，咱们如今基本都使用高级语言编程，高级语言里一条语句每每须要多条CPU指令完成，例如count += 1，至少须要三条CPU指令。指令1：首先，须要把变量count从内存加载到CPU的寄存器；指令2：以后，在寄存器中执行+1操做；指令3：最后，将结果写入内存（缓存机制致使可能写入的是CPU缓存而不是内存）。操做系统作任务切换，能够发生在任何一条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。对于上面的三条指令来讲，咱们假设count=0，若是线程A在指令1执行完后作线程切换，线程A和线程B按照下图的序列执行，那么咱们会发现两个线程都执行了count+=1的操做，可是获得的结果不是咱们指望的2，而是1。

非原子操做的执行路径示意图咱们潜意识里面以为count+=1这个操做是一个不可分割的总体，就像一个原子同样，线程的切换能够发生在count+=1以前，也能够发生在count+=1以后，但就是不会发生在中间。咱们把一个或者多个操做在CPU执行的过程当中不被中断的特性称为原子性。CPU能保证的原子操做是CPU指令级别的，而不是高级语言的操做符，这是违背咱们直觉的地方。所以，不少时候咱们须要在高级语言层面保证操做的原子性。

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