Java并发编程之并发编程三大核心问题

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写在前面

编写并发程序是比较困难的&＃xff0c;因为并发程序极易出现Bug&＃xff0c;这些Bug有都是比较诡异的&＃xff0c;很多都是没办法追踪&＃xff0c;而且难以复现。

要快速准确的发现并解决这些问题&＃xff0c;首先就是要弄清并发编程的本质&＃xff0c;并发编程要解决的是什么问题。

本文将带你深入理解并发编程要解决的三大问题&＃xff1a;原子性、可见性、有序性。

补充知识

硬件的发展中&＃xff0c;一直存在一个矛盾&＃xff0c;CPU、内存、I/O设备的速度差异。

速度排序&＃xff1a;CPU >> 内存 >> I/O设备

为了平衡这三者的速度差异&＃xff0c;做了如下优化&＃xff1a;

1. CPU 增加了缓存&＃xff0c;以均衡内存与CPU的速度差异&＃xff1b;

2. 操作系统增加了进程、线程&＃xff0c;以分时复用CPU&＃xff0c;进而均衡I/O设备与CPU的速度差异&＃xff1b;

3. 编译程序优化指令执行次序&＃xff0c;使得缓存能够得到更加合理地利用。

可见性

可见性是什么&＃xff1f;

一个线程对共享变量的修改&＃xff0c;另外一个线程能够立刻看到&＃xff0c;我们称为可见性。

为什么会有可见性问题&＃xff1f;

对于如今的多核处理器&＃xff0c;每颗CPU都有自己的缓存&＃xff0c;而缓存仅仅对它所在的处理器可见&＃xff0c;CPU缓存与内存的数据不容易保证一致。

为了避免处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟&＃xff0c;处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区合并对同一内存地址的多次写&＃xff0c;并以批处理的方式刷新&＃xff0c;也就是说写缓冲区不会即时将数据刷新到主内存中。

缓存不能及时刷新导致了可见性问题。

可见性问题举例

public class Test {
public int a &＃61; 0;public void increase() {a&＃43;&＃43;;}public static void main(String[] args) {
final Test test &＃61; new Test();
for (int i &＃61; 0; i <10; i&＃43;&＃43;) {
new Thread() {
public void run() {
for (int j &＃61; 0; j <1000; j&＃43;&＃43;)test.increase();};}.start();}while (Thread.activeCount() > 1) {
// 保证前面的线程都执行完Thread.yield();}System.out.println(test.a);}
}


目的&＃xff1a;10个线程将inc加到10000。

结果&＃xff1a;每次运行&＃xff0c;得到的结果都小于10000。

原因分析&＃xff1a;

假设线程1和线程2同时开始执行&＃xff0c;那么第一次都会将a&＃61;0 读到各自的CPU缓存里&＃xff0c;线程1执行a&＃43;&＃43;之后a&＃61;1&＃xff0c;但是此时线程2是看不到线程1中a的值的&＃xff0c;所以线程2里a&＃61;0&＃xff0c;执行a&＃43;&＃43;后a&＃61;1。

线程1和线程2各自CPU缓存里的值都是1&＃xff0c;之后线程1和线程2都会将自己缓存中的a&＃61;1写入内存&＃xff0c;导致内存中a&＃61;1&＃xff0c;而不是我们期望的2。所以导致最终 a 的值都是小于 10000 的。这就是缓存的可见性问题。

原子性

原子性是什么&＃xff1f;

把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性。

在并发编程中&＃xff0c;原子性的定义不应该和事务中的原子性&＃xff08;一旦代码运行异常可以回滚&＃xff09;一样。应该理解为&＃xff1a;一段代码&＃xff0c;或者一个变量的操作&＃xff0c;在一个线程没有执行完之前&＃xff0c;不能被其他线程执行。

为什么会有原子性问题&＃xff1f;

线程是CPU调度的基本单位。CPU会根据不同的调度算法进行线程调度&＃xff0c;将时间片分派给线程。当一个线程获得时间片之后开始执行&＃xff0c;在时间片耗尽之后&＃xff0c;就会失去CPU使用权。多线程场景下&＃xff0c;由于时间片在线程间轮换&＃xff0c;就会发生原子性问题。

如&＃xff1a;对于一段代码&＃xff0c;一个线程还没执行完这段代码但是时间片耗尽&＃xff0c;在等待CPU分配时间片&＃xff0c;此时其他线程可以获取执行这段代码的时间片来执行这段代码&＃xff0c;导致多个线程同时执行同一段代码&＃xff0c;也就是原子性问题。

线程切换带来原子性问题。

在Java中&＃xff0c;对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作&＃xff0c;即这些操作是不可被中断的&＃xff0c;要么执行&＃xff0c;要么不执行。

i &＃61; 0; // 原子性操作
j &＃61; i; // 不是原子性操作&＃xff0c;包含了两个操作&＃xff1a;读取i&＃xff0c;将i值赋值给j
i&＃43;&＃43;; // 不是原子性操作&＃xff0c;包含了三个操作&＃xff1a;读取i值、i &＃43; 1 、将&＃43;1结果赋值给i
i &＃61; j &＃43; 1; // 不是原子性操作&＃xff0c;包含了三个操作&＃xff1a;读取j值、j &＃43; 1 、将&＃43;1结果赋值给i

原子性问题举例

还是上文中的代码&＃xff0c;10个线程将inc加到10000。假设在保证可见性的情况下&＃xff0c;仍然会因为原子性问题导致执行结果达不到预期。为方便看&＃xff0c;把代码贴到这里&＃xff1a;

public class Test {
public int a &＃61; 0;public void increase() {a&＃43;&＃43;;}public static void main(String[] args) {
final Test test &＃61; new Test();
for (int i &＃61; 0; i <10; i&＃43;&＃43;) {
new Thread() {
public void run() {
for (int j &＃61; 0; j <1000; j&＃43;&＃43;)test.increase();};}.start();}while (Thread.activeCount() > 1) {
// 保证前面的线程都执行完Thread.yield();}System.out.println(test.a);}
}


目的&＃xff1a;10个线程将inc加到10000。
结果&＃xff1a;每次运行&＃xff0c;得到的结果都小于10000。

原因分析&＃xff1a;

首先来看a&＃43;&＃43;操作&＃xff0c;其实包括三个操作&＃xff1a; 

①读取a&＃61;0; 

②计算0&＃43;1&＃61;1; 

③将1赋值给a; 

保证a&＃43;&＃43;的原子性&＃xff0c;就是保证这三个操作在一个线程没有执行完之前&＃xff0c;不能被其他线程执行。

实际执行时序图如下&＃xff1a;

关键一步&＃xff1a;线程2在读取a的值时&＃xff0c;线程1还没有完成a&＃61;1的赋值操作&＃xff0c;导致线程2的计算结果也是a&＃61;1。

问题在于没有保证a&＃43;&＃43;操作的原子性。如果保证a&＃43;&＃43;的原子性&＃xff0c;线程1在执行完三个操作之前&＃xff0c;线程2不能执行a&＃43;&＃43;&＃xff0c;那么就可以保证在线程2执行a&＃43;&＃43;时&＃xff0c;读取到a&＃61;1&＃xff0c;从而得到正确的结果。

有序性

有序性&＃xff1a;程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

编译器为了优化性能&＃xff0c;有时候会改变程序中语句的先后顺序。例如程序中&＃xff1a;“a&＃61;6&＃xff1b;b&＃61;7&＃xff1b;”编译器优化后可能变成“b&＃61;7&＃xff1b;a&＃61;6&＃xff1b;”&＃xff0c;在这个例子中&＃xff0c;编译器调整了语句的顺序&＃xff0c;但是不影响程序的最终结果。不过有时候编译器及解释器的优化可能导致意想不到的Bug。

有序性问题举例

Java中的一个经典的案例&＃xff1a;利用双重检查创建单例对象

public class Singleton {static Singleton instance;static Singleton getInstance(){if (instance &＃61;&＃61; null) {synchronized(Singleton.class) {if (instance &＃61;&＃61; null)instance &＃61; new Singleton();}}return instance;}
}


在获取实例getInstance()的方法中&＃xff0c;我们首先判断 instance是否为空&＃xff0c;如果为空&＃xff0c;则锁定 Singleton.class并再次检查instance是否为空&＃xff0c;如果还为空则创建Singleton的一个实例。
看似很完美&＃xff0c;既保证了线程完全的初始化单例&＃xff0c;又经过判断instance为null时再用synchronized同步加锁。但是还有问题&＃xff01;

instance &＃61; new Singleton(); 创建对象的代码&＃xff0c;分为三步&＃xff1a;
①分配内存空间
②初始化对象Singleton
③将内存空间的地址赋值给instance

但是这三步经过重排之后&＃xff1a;
①分配内存空间
②将内存空间的地址赋值给instance
③初始化对象Singleton

会导致什么结果呢&＃xff1f;

线程A先执行getInstance()方法&＃xff0c;当执行完指令②时恰好发生了线程切换&＃xff0c;切换到了线程B上&＃xff1b;如果此时线程B也执行getInstance()方法&＃xff0c;那么线程B在执行第一个判断时会发现instance!&＃61;null&＃xff0c;所以直接返回instance&＃xff0c;而此时的instance是没有初始化过的&＃xff0c;如果我们这个时候访问instance的成员变量就可能触发空指针异常。

执行时序图&＃xff1a;

总结

并发编程的本质就是解决三大问题&＃xff1a;原子性、可见性、有序性。

原子性&＃xff1a;一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性。由于线程的切换&＃xff0c;导致多个线程同时执行同一段代码&＃xff0c;带来的原子性问题。

可见性&＃xff1a;一个线程对共享变量的修改&＃xff0c;另外一个线程能够立刻看到。缓存不能及时刷新导致了可见性问题。

有序性&＃xff1a;程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能而改变程序中语句的先后顺序&＃xff0c;导致有序性问题。

启发&＃xff1a;线程的切换、缓存及编译优化都是为了提高性能&＃xff0c;但是引发了并发编程的问题。这也告诉我们技术在解决一个问题时&＃xff0c;必然会带来另一个问题&＃xff0c;需要我们提前考虑新技术带来的问题以规避风险。