Java并發(fā)編程（一）---原子性，可見(jiàn)性，有序性

摘要

并發(fā)編程世界里，由于CPU緩存導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題，線程切換導(dǎo)致的原子性問(wèn)題，以及編譯器重排序?qū)е碌挠行蛐詥?wèn)題是并發(fā)編程Bug的根源。
正文
可見(jiàn)性

一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改。另外一個(gè)線程能夠立刻看到，我們稱之為可見(jiàn)性。共享變量指的是存放在堆內(nèi)存，由所有線程所共享的變量。比如：實(shí)例變量，靜態(tài)變量。
如圖所示：
在這里插入圖片描述

共享變量V可以由線程A和線程B同時(shí)操作，線程A和B首先從各自的CPU緩存或者寄存器中讀取數(shù)值，然后由CPU的寄存器寫(xiě)入內(nèi)存中。

public class LongTest {
private static long atest = 0L;
public void countTest() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
atest = atest + 1;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final LongTest longTest = new LongTest();
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
longTest.countTest();
}
});
Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
longTest.countTest();
}
});
threadA.start();
threadB.start();
threadA.join();
threadB.join();
System.out.println("*******獲得到的atest值為=" + atest);
}
}

如上程序，運(yùn)行之后我們會(huì)發(fā)現(xiàn) atest 值永遠(yuǎn)都不會(huì)到達(dá)20000，而是在10000-20000之間的隨機(jī)數(shù)。
原因分析：假設(shè)線程A和線程B同時(shí)執(zhí)行 atest = atest + 1;， 線程A 讀取到的原值是0，執(zhí)行+1操作之后，得到新值1，同樣的，線程B也是讀取到的原值0，然后執(zhí)行+1操作，得到新值1。這樣就永遠(yuǎn)得不到結(jié)果2。
類(lèi)推的話，循環(huán)執(zhí)行10000次也是同理，線程A執(zhí)行+1操作時(shí)不能及時(shí)獲得線程B已經(jīng)寫(xiě)入的值，故導(dǎo)致值永遠(yuǎn)不可能達(dá)到20000。
原子性

由于一條高級(jí)語(yǔ)句在CPU中可能會(huì)分成若干條指令來(lái)執(zhí)行，每條指令執(zhí)行完之后就有可能會(huì)發(fā)生線程切換。故線程切換造成的原子性問(wèn)題。

例如： count=count+1 共有三個(gè)指令

指令一: 將count值從內(nèi)存加載到到CPU的寄存器中
指令二：在寄存器中+1操作
指令三 ：將新值寫(xiě)入到內(nèi)存中（由于緩存機(jī)制，寫(xiě)入的可能是CPU的緩存而不是內(nèi)存）

操作系統(tǒng)做任務(wù)切換可以發(fā)生在任何一條CPU指令執(zhí)行完，是CPU指令執(zhí)行完。
我們將一個(gè)或者多個(gè)操作在CPU執(zhí)行過(guò)程中不被中斷的特性稱之為原子性。
有序性

編譯器重排序?qū)е碌挠行蛐詥?wèn)題：
例如：雙重加鎖中的：

public class SingletonDemo {
private static SingletonDemo instance = null;

private SingletonDemo(){

}

static SingletonDemo getSingletonDemo() {
    if (instance == null) {
        synchronized (SingletonDemo.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonDemo();    //6
            }
        }
    }
    return instance;
}

}

這里會(huì)有有序性問(wèn)題：
問(wèn)題主要出在了 new SingletonDemo() 這一步
因?yàn)閕nstance = new SingletonDemo();主要有三個(gè)指令

分配內(nèi)存空間M
在內(nèi)存M上初始化對(duì)象
然后M的地址賦值給instance變量

正常順序是1-2-3
但是CPU重排序之后執(zhí)行順序可能變成了 1-3-2
步驟如下：

A首先進(jìn)入synchronized，由于instance為null,所以它執(zhí)行instance = new SingletonDemo()；
然后線程 A執(zhí)行1->JVM先畫(huà)出了一些分配給SingletonDemo實(shí)例的空白內(nèi)存，并賦值給instance
在還沒(méi)有進(jìn)行第三步（將instance引用指向內(nèi)存空間）的時(shí)候，恰好發(fā)生了線程切換 ，切換到了線程B上，
如果此時(shí)線程B也執(zhí)行g(shù)etSingletonDemo()方法，那么線程B 在執(zhí)行第一個(gè)判斷是會(huì)發(fā)現(xiàn)instance!=null，所以直接返回了instance，而此時(shí)的instance是沒(méi)有初始化的。

總結(jié)

并發(fā)編程中主要的問(wèn)題就是可見(jiàn)性問(wèn)題， 原子性問(wèn)題，有序性問(wèn)題。本文介紹了這三種問(wèn)題的發(fā)生原因，以及發(fā)生的場(chǎng)景。




作者：碼農(nóng)飛哥
微信公眾號(hào)：碼農(nóng)飛哥