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以前古老的 DOS 操作系统，是单进行的零碎。零碎每次只能做一件事件，实现了一个工作能力持续下一个工作。每次只能做一件事件，比方在听歌的时候不能关上网页。所有的工作操作都依照串行的形式顺次执行。
这类服务器毛病也很显著，期待操作的过长，无奈同时操作多个工作，执行效率很差。
当初的操作系统都是多任务的操作系统，比方听歌的时候能够做关上网页，还能关上微信和敌人聊天。这几个工作能够同时进行，大大增加执行效率。
并发提高效率
一个残缺服务器，都有 CPU、 内存、IO, 三者之间的运行速度存在显著的差别:
CPU相干的操作，执行指令以及读取CPU缓存等操作，根本都是纳秒级别的。CPU读取内存，耗时是CPU相干操作的 千倍 ，根本都是微秒级别。CPU和内存之间的速度差别。IO操作根本是毫秒的级别，是内存操作的千倍，内存和IO之间存在速度的差别。
CPU -> 内存 -> SSD -> 磁盘 -> 网络
纳秒 -> 微秒 -> 毫秒 -> 毫秒 -> 秒
程序中大部分的语句都要拜访内存，有些还要拜访的 IO 读写。为了正当的利用 CPU 的高性能，高效的均衡三者的速度差别，操作系统、编译器次要做了以下改良：
CPU减少了CPU 缓存，用来平衡CPU和内存的速度差别。- 操作系统减少了多过程、多线程，用来分时复用
CPU, 从而平衡CPU与IO设施之间的差别。 - 编译优化程序执行程序，充分利用缓存。
做了以上操作之后，CPU读取或者批改数据之后，将数据缓存在 CPU 缓存 中，CPU不须要每次都从内存中获取数据，极大的进步了 CPU 的运行速度。多线程是将时间段切成一个个小段，多个线程在上下文切换中，执行完工作，而不必等后面的线程都执行结束之后再执行。比方做一个计算，CPU耗时 1 纳秒, 而从内存读取数据要 1 微秒，没有多线程的话,N个线程要耗时 N 微秒，此时CPU 高效性就无奈体现进去。有了多线程之后，操作系统将 CPU 时间段切成一个一个小段，多线程上下文切换，线程执行计算操作，无需期待 内存读取操作。
尽管并发能够进步程序的运行效率，然而凡事无利也有弊，并发程序也有很多诡异的bug, 本源有以下几个起因。
缓存导致可见性问题
一个线程对共享变量的批改，另外线程能立即看到，称为 可见性。
在单核时代，所有的线程都是在同一个 CPU 上运行，所有的线程都是操作同一个线程的 CPU 缓存，一个线程批改缓存，对另外一个线程来说肯定是可见的。比方在下图中， 线程 A 和 线程 B 都是操作同一个 CPU 缓存，所以 线程 A 更新了 变量 V 的值，线程 B 再拜访 变量 V 的值，获取的肯定是 V 的最新值。所以变量 V 对线程都是 可见的。
在多核 CPU 下，每个 CPU 都有本人的缓存。当多个线程执行在不同的 CPU 时，这些线程的操作也是在对应的 CPU 缓存 上。这时候就会呈现问题了，在下图中，线程 A 运行在 CPU_1 上，首先从 CPU_1 缓存获取 变量 V ，获取不到就获取内存的值，而后操作 变量 V 。线程 B 也是同样的形式在 CPU_2 缓存中获取 变量 V 。
线程 A 操作的是 CPU_1 的缓存，线程 B 操作的是 CPU_2 的缓存，此时 线程 A 对 变量 V 的操作对于 线程 B 是 不可见的 。多核 CPU 一方面进步了运行速度，然而另一方面也可能会造成 线程不平安 的问题。
上面应用一段代码来测试多核场景下的可见性。首先创立一个累加的办法 add10k 办法，循环 10000 次count+=1的操作。而后在 test 办法外面创立两个线程，每个线程都调用 add10k 办法，后果是多少呢？
public class VisibilityTest {
private static int count = 0;
private void add10k() {
int index = 0;
while (index++ < 10000) {count += 1;}
}
@Test
public void test() throws InterruptedException {VisibilityTest test = new VisibilityTest();
Thread thread1 = new Thread(() -> test.add10k());
Thread thread2 = new Thread(() -> test.add10k());
// 启动两个线程
thread1.start();
thread2.start();
// 期待两个线程执行完结
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(count);
}
}依照直觉来说后果是 20000, 因为在每个线程累加10000, 两个线程就是20000。然而理论后果是介于10000~20000 的之间，每次执行后果都是这个范畴内的随机数。
因为线程 A 和线程 B 同时开始执行，第一次都会将 count=0 缓存到本人的 CPU 缓存 中，执行完 count += 1 之后，写入本人对应的 CPU 缓存 中，同时写入内存中，此时内存中的数是 1，而不是冀望的2。之后CPU 再取到本人的 CPU 缓存 再进行计算，最初计算出来的 count 值都是小于20000, 这就是缓存的可见性问题。
线程切换带来的原子性问题
下面提到，因为 CPU、 内存 、IO 之间的速度存在很大的差别，在单过程零碎中，须要等速度最慢的 IO 操作实现之后，能力接着实现下一个工作，CPU的高性能也无奈体现进去。但操作系统有了多过程之后，操作系统将 CPU 切成一个一个小片段，在不同的工夫片段内执行不同的过程的，而不须要期待速度慢的 IO 操作，在单核或者多核的 CPU 上能够一边的听歌，一边的聊天。
操作系统将工夫切成很小片，比例 20 毫秒, 开始的 20 毫秒执行一个过程，下一个 20 毫秒切换执行另外一个线程，20毫秒成为 工夫片, 如下图所示：
线程 A 和 线程 B 来回的切换工作。
如果一个进行 IO 操作，例如读取文件，这个时候该过程就把本人标记为 休眠状态 并让出 CPU 的使用权，等实现 IO 操作之后，又须要应用 CPU 时又会把休眠的过程唤醒，唤醒的过程就能够期待 CPU 的调用了。让出 CPU 的使用权之后，CPU就能够对其余过程进行操作，这样 CPU 的使用率就进步上了，零碎整体的运行速度也快了很多。
并发程序大多数都是基于多线程的，也会波及到 线程上下文的切换 ，线程的切换都是在很短的工夫片段内实现的。比方下面代码中count += 1 尽管有一行语句，但这外面就有三条 CPU 指令。
- 指令 1：把变量 V 从内存加载到
CPU寄存器中。 - 指令 2：在寄存器中执行
+1操作。 - 指令 3：将后果写入内存（也可能是写入
CPU 缓存中）。
任何一条 CPU 指令都可能产生 线程切换 。如果线程 A 在指令 1 执行完后做线程切换，线程 A 和线程 B 依照下图程序执行，那么咱们会发现两个线程都执行count += 1 的操作，然而最初后果却是1，而不是2。
编译优化带来的有序性问题
有序性是指程序依照代码的先后顺序执行，编译器为了优化性能，在不影响程序的最终后果的状况下，编译器调整了语句的先后顺序，比方程序中：
a = 2;
b = 5;编译器优化后可能变成:
b = 5;
a = 2;尽管不影响程序的最初后果，然而也会引起一些意想不到的 BUG。
在 Java 中一个常见的例子就是利用双重测验创立单例对象，例如上面的代码：
public class Singleton {
static Singleton instance;
static Singleton getInstance(){if (instance == null) {synchronized(Singleton.class) {if (instance == null)
instance = new Singleton();}
}
return instance;
}
}在获取实例 getInstance 办法中，首先判断 instance 是否为空，如果为空，则锁定 Singleton.class 并再次查看 instance 是否为空，如果还为空就创立一个 Singleton 实例。
假如两个线程，线程 A 和 线程 B 同时调用 getInstance 办法。此时 instance == null，同时对Singleton.class 加锁，JVM保障只有一个线程能加锁胜利，假如是 线程 A 加锁胜利，另一个线程就会处于期待状态，线程 A 会创立一个实例，而后开释锁，线程 B 被唤醒，再次尝试加锁，此时胜利加锁，而此时 instance != null, 曾经创立过实例，所以 线程 B 就不会创立实例了。
看起来没有什么问题，但实际上也有可能问题呈现在 new 操作上，原本 new 操作应该是：
- 1、调配一块内存。
- 2、在内存上初始化对象。
- 3、内存的地址赋值给
instance变量。
但理论优化后的执行程序却是如下：
- 1、调配一块内存。
- 2、将内存地址赋值给
instance变量。 - 3、在内存上初始化对象。
优化之后会产生什么问题呢？首先假如 线程 A 先执行 getInstance 办法，也就是先执行 new 操作，当执行完指令 2 时产生了线程切换，切换到 线程 B 上，此时线程 B 执行 getInstance 办法，执行判断时会发现 instance != null, 所以就返回instance，而此时的instance 是没有初始化的，如果这时拜访 instance 就可能会触发空指针异样。
总结
操作系统进入多核、多过程、多线程时代，这些降级会很大的进步程序的执行效率，但同时也会引发 可见性 、 原子性 、 有序性 问题。
- 多核
CPU，每个 CPU 都有各自的 CPU 缓存，每个线程更新变量会先同步在CPU 缓存中，而此时其余线程，无奈获取最新的CPU缓存值，这就是不可见性。 count += 1含有多个CPU指令。当产生线程切换，会导致原子问题。- 编译优化器会调整程序的执行程序，导致在多线程环境，线程切换带来有序的问题。
开始学习并发，常常会看到 volatile、synchronized 等并发关键字，而理解并发编程的有序性、原子性、可见性等问题，就能更好的了解并发场景下的原理。
参考
可见性、原子性和有序性问题：并发编程 Bug 的源头
