并发程序出现问题的根本原因通常归结为两个核心问题：竞争条件（Race Condition）和内存可见性（Memory Visibility）。这些问题是由于多线程同时访问和修改共享资源而没有进行适当同步所导致的。现在让我们更详细地探讨这些问题。

竞争条件（Race Condition）

竞争条件发生在多个线程或进程在没有适当同步机制的情况下同时访问和修改共享数据。当多个线程访问和修改数据，最终结果依赖于线程执行的精确时序，这可能导致不一致和预期之外的结果。

示例代码

public class RaceConditionExample {private static int sharedVar = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread incrementer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_000; i++) {sharedVar++;}});Thread decrementer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_000; i++) {sharedVar--;}});incrementer.start();decrementer.start();incrementer.join();decrementer.join();System.out.println("Final value: " + sharedVar);}
}

在没有适当同步的情况下运行这段代码可能会得到不同的输出结果，因为 sharedVar++ 和 sharedVar-- 都不是原子操作。实际上，每个操作可以分解为三个步骤：读取值、修改值、写回新值，线程在这些步骤之间的交替执行导致了不一致的结果。

内存可见性（Memory Visibility）

内存可见性问题发生在一个线程修改的共享变量的新值对于其他线程不可见。这是由于线程缓存导致的，线程可以在自己的本地内存（如 CPU 缓存）中保留共享变量的副本，而不是直接在主存中进行读写。

示例代码

public class VisibilityExample {private static boolean ready = false;private static int number;private static class ReaderThread extends Thread {public void run() {while (!ready) {Thread.yield();}System.out.println(number);}}public static void main(String[] args) {new ReaderThread().start();number = 42;ready = true;}
}

在这个例子中，没有适当的同步机制，没有办法保证主线程写入 ready 和 number 变量的值对启动的 ReaderThread 线程立即可见。因此，即使 ready 被设置为 true，ReaderThread 线程也可能看不到这个改变，导致它无限循环。

解决方案

为了解决这些问题，我们需要使用同步机制，如 synchronized 关键字、ReentrantLock、Atomic 变量类、volatile 关键字等，以确保操作的原子性和内存的可见性。

改进竞争条件示例

public class SynchronizedRaceConditionExample {private static int sharedVar = 0;private static synchronized void increment() {sharedVar++;}private static synchronized void decrement() {sharedVar--;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread incrementer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_000; i++) {increment();}});Thread decrementer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_000; i++) {decrement();}});incrementer.start();decrementer.start();incrementer.join();decrementer.join();System.out.println("Final value: " + sharedVar);}
}

改进内存可见性示例

public class VolatileVisibilityExample {private static volatile boolean ready = false;private static int number;private static class ReaderThread extends Thread {public void run() {while (!ready) {Thread.yield();}System.out.println(number);}}public static void main(String[] args) {new ReaderThread().start();number = 42;ready = true;}
}

在这些改进的例子中，我们用 synchronized 关键字和 volatile 关键字提供了必要的同步机制。synchronized 保证了只有一个线程可以执行 increment 或 decrement 方法，实现了原子性；而 volatile 保证了 ready 变量的改变对所有线程立即可见，解决了内存可见性问题。

这些同步技术可以有效地帮助避免并发程序中的问题，但使用它们也需要谨慎，因为不当的使用可能会导致死锁等其他并发问题，或者因过度同步导致性能问题。