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并发编程——原子性可见性和有序性

发布时间:2019-07-07 18:06 来源:未知 编辑:admin

  在并发编程中,我们通常会遇到以下三个问题:原子性问题,可见性问题,有序性问题。

  即一个操作或者多个操作,要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。原子性就像数据库里面的事务一样,他们是一个团队,同生共死。一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

  比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。试想一下,如果这2个操作不具备原子性,会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后,操作突然中止。然后又从B取出了500元,取出500元之后,再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元,但是账户B没有收到这个转过来的1000元。

  所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢?举一个简单的例子:

  上面四个操作,有哪个几个是原子操作,那几个不是?如果不是很理解,可能会认为都是原子性操作,其实只有1才是原子操作,其余均不是。

  在单线程环境下我们可以认为整个步骤都是原子性操作,但是在多线程环境下则不同,Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操作才是原子性的(注:在32位的JDK环境下,对64位数据的读取不是原子性操作*,如long、double)。

  要想在多线程环境下保证原子性,则可以通过锁、synchronized来确保。volatile是无法保证复合操作的原子性。

  可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。举个简单的例子,看下面这段代码:

  假若执行线,执行线。由上面的分析可知,当线这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。此时线执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10。这就是可见性问题,线对变量i修改了之后,线没有立即看到线修改的值。

  在上面已经分析了,在多线程环境下,一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。

  对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

  即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子,看下面这段代码:

  上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

  下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

  比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?再看下面一个例子:

  不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢?下面看一个例子:

  上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线,而此是线会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

  从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

  在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

  在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。另外,Java内存模型具备一些先天的“有序性”,即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性,这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来,那么它们就不能保证它们的有序性,虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

  程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。

  volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

  传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C。

  线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作。

  线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。

  线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行。

  对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始。

  这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。这8条规则中,前4条规则是比较重要的,后4条规则都是显而易见的。下面我们来解释一下前4条规则:

  对于程序次序规则来说,我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意,虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”,这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的,因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序,但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的,它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此,在单个线程中,程序执行看起来是有序执行的,这一点要注意理解。事实上,这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性,但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

  锁定规则也比较容易理解,也就是说无论在单线程中还是多线程中,同一个锁如果出于被锁定的状态,那么必须先对锁进行了释放操作,后面才能继续进行lock操作。

  volatile变量规则是一条比较重要的规则,也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是,如果一个线程先去写一个变量,然后一个线程去进行读取,那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

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