本文從計算機系統層面來講述在提升性能的過程中，引發的一系列問題。讀完本文你將get到並發編程過程中的原子性，可見性，有序性三大問題的來源。
隨着硬件發展速度的放緩，摩爾定律已經不在生效，各個硬件似乎已經到了瓶頸；然而隨着互聯網的普及，網民數量不斷增加，對系統的性能帶來了巨大的挑戰。因此我們要通過各種方式來壓榨硬件的性能，從而提高系統的性能進而提升用戶體驗，提升企業的競爭力。
由於CPU，內存，IO三者之間速度差異，為了提高系統性能，計算機系統對這三者速度進行平衡。
- CPU 增加了緩存，以均衡與內存的速度差異；
- 操作系統增加了進程、線程，以分時復用 CPU，進而均衡 CPU 與 I/O 設備的速度差異；
- 編譯程序優化指令執行次序，使得緩存能夠得到更加合理地利用。
緩存導致得可見性的問題
一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到，我們稱為可見性。
多核時代，每顆 CPU 都有自己的緩存，這時 CPU 緩存與內存的數據一致性就沒那么容易解決了，當多個線程在不同的 CPU 上執行時，這些線程操作的是不同的 CPU 緩存。 
線程切換帶來的原子性問題
由於IO和cpu執行速度的差別巨大，所以在早期操作系統中就發明的多線程，即使在單核的cpu上我們也可以一遍聽着歌，一邊寫着bug，這就是多線程。
早期操作系統基於進程來調度cpu， 不同進程間是不共享內存空間的，所以進程要做任務切換要切換內存映射地址，而一個進程創建的所有線程都是共享一個內存空間，所以線程做任務切換成本很低。現代操作系統都基於更輕量級的線程來調度，現在我們提到的“任務切換”都是指“線程切換”。
因為式單核cpu，所以同一時刻只能執行一個任務，所以多線程通常使用搶占的方式來獲取操作系統的時間片。
Java的並發編程中都是基於多線程，線程的切換時機通常在一條cpu指令執行完畢之后，而Java作為一門高級編程語言，通常一條語句可能由多個cpu指令來完成。例如：count += 1, 至少需要三條指令。
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指令1：首先，需要把變量count從該內存加載到cpu的寄存器
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指令2：之后，在寄存器中執行+1操作
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指令3： 最后，將結果寫入內存（忽略緩存機制）
假設count = 0， 有2個線程同時執行count+=1這段代碼。線程A執行完指令1將count = 0加載到cpu寄存器，進行了任務切換到了線程B執行，線程B執行完之后將count = 1寫入到內存，然后再切換到線程A執行，此時線程A獲取寄存器中的count=0進行+1操作得到結果也是1，所以最終內存中的count = 1，而我們所期望的是2.
CPU層面的原子操作僅僅是在指令級別的，既一條cpu指令不可中斷。在高級語言中，我們為了避免以上情況發生，我們把一個或多個操作在cpu執行過程中不被中斷的特性稱為原子性。
編譯優化帶來的有序性問題
為了提高程序的執行效率，編譯器有時會在編譯過程中對程序的進行優化，從而改變程序的執行順序。如程序“a = 4； b = 5”，在優化后執行順序可能變成“b = 5； a = 4”。通常進行一項優化過程中可能會帶來另一項問題，改變程序的執行順序通常也會導致讓人意想不到的bug。
Java領域中一個經典的案例就是利用雙重檢查創建單例對象，代碼如下：在獲取實例getInstance()方法中，我們首先判斷instance是否為空，如果為空則鎖住Singleton.class對象並再次檢查instance是否為空，如果仍然為空則創建Singleton的一個實例。
public class Singleton {
static Singleton instance;
/**
* 獲取Singleton對象
*/
public static Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
假設有兩個線程 A、B 同時調用 getInstance() 方法，他們會同時發現 instance == null，於是同時對 Singleton.class 加鎖，此時 JVM 保證只有一個線程能夠加鎖成功（假設是線程 A），另外一個線程則會處於等待狀態（假設是線程 B）；線程 A 會創建一個 Singleton 實例，之后釋放鎖，鎖釋放后，線程 B 被喚醒，線程 B 再次嘗試加鎖，此時是可以加鎖成功的，加鎖成功后，線程 B 檢查 instance == null 時會發現，已經創建過 Singleton 實例了，所以線程 B 不會再創建一個 Singleton 實例。
以上過程僅僅是我們的理想情況下，但是實際過程中往往會創建多次Singleton實例。原因是創建一個對象需要多條cpu指令，且編譯器可能對這幾條指令進行了排序。在執行new語句創建一個對象時，通常會包含一下三個步驟（此處進行了簡化，實際實現過程會比此過程復雜）：
- 在堆內存為對象分配一塊內存M
- 在內存M區域進行Singleton對象的初始化
- 將內存M地址賦值給instance變量。
但是實際優化后的執行順序可能時以下這種情況： - 在堆內存為對象分配一塊內存M
- 將內存M地址賦值給instance變量。
- 在內存M區域進行Singleton對象的初始化
假設A，B線程同時執行到了getInstance()方法，線程A執行完instance = $M（將內存M地址賦值給instance變量，但是未將對象進行初始化）后切換到B線程，當B線程執行到instance == null時，由於instance已經指向了內存M的地址，所以會返回false，直接返回instance，如果我們這是訪問instance中的成員變量或者方法時就可能會出現NullPointException。
總結
在操作系統平衡CPU，內存，IO三者速度差異過程中進行了一系列的優化。
- CPU 增加了緩存，以均衡與內存的速度差異；
- 操作系統增加了進程、線程，以分時復用 CPU，進而均衡 CPU 與 I/O 設備的速度差異；
- 編譯程序優化指令執行次序，使得緩存能夠得到更加合理地利用。
這三個不同方面的優化也帶來了可見性，原子性，有序性等問題，他們通常是並發程序的bug的源頭。
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