并发编程中的可见性,原子性，有序性问题

2022-09-15

java内存模型（JMM）

这种模型和 jvm 中的堆不同， JMM 是抽象概念，不真实存在。它是一种规范，指定了程序中的各变量的访问方式

主内存

JMM 规定所有变量都存放在主内存，主内存是所有线程共享的，但是线程的操作在线程的工作内存中进行，先从主内存读取到线程的工作内存中，然后执行操作，再将工作内存中的值写入主内存中。线程不能直接操作主内存中的数据

工作内存

工作内存是线程独有的，不同的线程无法访问到对方的工作内存，线程间的通信必须通过主内存传值进行

JMM 描述的是变量在共享区域和私有区域的访问方式，变量的访问在多线程下会有可见性，原子性，可见性三大问题

可见性问题

因为有工作内存的划分，一个线程操作修改某变量的值，没有同步到主内存前，其他线程是无法读取到该变量最新的值，就导致了变量在另外的线程不可见。
示例:

public class CodeVisibility {

    private static boolean initFlag = false;
    // private volatile static boolean initFlag = false;

    private static int counter = 0;

    public static void refresh() {
        System.out.println("refresh data.......");
        initFlag = true;
        System.out.println("refresh data success.......");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            while (!initFlag) {
                counter++;
            }
            System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName()
                    + "当前线程嗅探到initFlag的状态的改变, counter: " + counter);
        }, "threadA");
        threadA.start();

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            refresh();
        }, "threadB");
        threadB.start();
    }
}

结果:

可见看到线程A久久不能结束，虽然线程B此时已经修改了 initFlag 的值，但是线程A无法读取到最新值，因为一直没有和主内存同步

volatile

这个关键词可以让变量被修改后立刻使其他线程中的副本可见。在上面的示例代码中，把第3行注释，第4行取消注释后再运行:

可以看到线程A可以立即结束

volatile 原理

使用 volatile 关键字会强制将在某个线程中修改的共享变量的值立即写入主内存。
使用 volatile 关键字，当线程 2 进行修改时，会导致线程 1 的工作内存中变量的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是 CPU 的 L1或者 L2 缓存中对应的缓存行无效);
由于线程 1 的工作内存中变量的缓存行无效，所以线程1再次读取变量的值时会去主存读取。

特性

只能控制变量的可见性
不能解决原子性问题
还可以禁止CPU指令重排（见下）

volatile 番外

如果不对 initFlag 添加 volatile 标识，线程A就永远无法读取到initFlag的最新值吗？

不一定，在判断 initFlag 的值时，CPU 先从缓存中取值，只要缓存失效，就会重新在从内存中加载。那么什么时候缓存会失效呢？对于CPU缓存来说，分为 L1 L2 L3 三级缓存，也就是离CPU最近的那些寄存器，他们的速度依次递减，容量依次递增。而每次CPU缓存的最小单位不是某个变量所占的空间大小，而是固定的字节，这样就能减少CPU和内存交互的次数，更好的利用空间局部原理和时间局部性原理。具体细节可以搜索 CPU缓存相关信息

因为CPU一次会让一批缓存失效，有可能 initFlag 的缓存会随着其他值失效而重新从内存加载最新值。如下例子:

public class CodeVisibility {

    // initFlag 不再用 volatile 修饰
    private static boolean initFlag = false;

    // 这里 counter 类型从 int 修改成 Integer
    private static Integer counter = 0;

    public static void refresh() {
        System.out.println("refresh data.......");
        initFlag = true;
        System.out.println("refresh data success.......");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            while (!initFlag) {
                counter++;
            }
            // 线程仍然可以很快的结束，因为 counter 会导致 cpu 缓存失效，重新从主内存加载最新数据
            System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName()
                    + "当前线程嗅探到initFlag的状态的改变, counter: " + counter);
        }, "threadA");
        threadA.start();

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            refresh();
        }, "threadB");
        threadB.start();
    }
}

结果:

那么问题又来了，为什么用 int 不会导致 cpu 缓存失效呢？

个人推测可能使因为 int 比 Integer 所占用的内存更小，CPU缓存放得下，一直没有触发缓存失效。

有序性问题

先看一个例子:

public class VolatileReOrderSample {
    //定义四个静态变量
    private static int x=0,y=0;
    private static int a=0,b=0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i=0;
        while (true){
            i++;
            x=0;y=0;a=0;b=0;
            //开两个线程，第一个线程执行a=1;x=b;第二个线程执行b=1;y=a
            Thread thread1=new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //线程1会比线程2先执行，因此用nanoTime让线程1等待线程2 0.01毫秒
                    shortWait(10000);
                    a=1;
                    x=b;
                }
            });
            Thread thread2=new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    b=1;
                    y=a;
                }
            });
            thread1.start();
            thread2.start();
            thread1.join();
            thread2.join();
            //等两个线程都执行完毕后拼接结果
            String result="第"+i+"次执行x="+x+"y="+y;
            //如果x=0且y=0，则跳出循环
            if (x==0&&y==0){
                System.out.println(result);
                break;
            }else{
                System.out.println(result);
            }
        }
    }
    //等待interval纳秒
    private static void shortWait(long interval) {
        long start=System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end=System.nanoTime();
        }while (start+interval>=end);
    }
}
复制代码

按照正常思维，永远不会发生 x=0 y=0的场景，但事实并非如此:
下面是线程A B 可能的正常执行情况

线程A执行完线程B执行
线程B执行完线程A执行：
线程A B 交叉执行

发生指令重排的情况

指令重排

处理器为了程序的性能可以对程序的执行顺序进行重排，但是，必须满足重排后的执行结果在单线程下结果不能发生改变 这就是 as-if-serial 语义

为了遵守 as-if-serial 语义,编译器和处理器不会对存在数据依赖的操作进行重排，因为会改变执行结果，如果两个操作不存在依赖关系，就有可能会被重排，就入上面的代码，在线程A中a=1;x=b这两各操作没有依赖关系，就有可能会重新排序成x=b;a=1 , 线程B同理。

这个执行重排的操作在单线程下没有关系，因为没有影响到最终的执行的结果，但是如果是多线程的场景，就像上面的那个例子，就会发生错误

如何禁止指令重排

volatile

volatile 另一个作用是禁止指令重排，避免多线程下出现乱序执行的情况
重排规则表:

从上面的规则可以看出：

当第二个操作是 volatile 写时，不管第一个操作是什么，都不能发生重排，
当第一个操作是 volatile 读时，不管第二个操作是什么，都不能发生重排
当第一个操作时 volatile 写，第二个操作是 volatile 读时，不能发生重排

加锁保证有序性

另外还可以使用 synchronize 和 lock 来保证有序性，因为加锁后，每时每刻只有一个线程执行代码，指令重排对单线程没有影响

禁止指令重排的经典应用

看下懒汉模式的单例的问题:

// 懒汉模式 + synchronized 同步锁 + double-check
public final class Singleton {
    private static Singleton instance= null;// 不实例化
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 加同步锁，通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 第一次判断，当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
          synchronized (Singleton.class){// 同步锁
             if(null == instance){// 第二次判断
                instance = new Singleton();// 实例化对象
             }
          } 
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}

为了在多线程并发场景下单例仍然有效，加了锁以及双重检测，但是就万无一失了吗？

在第一个判断 if(null == instance) 中，会出先变量instance有值，但是内存区域是空的（没有初始化），从而导致程序出现问题。造成这个问题的原因在于 instance = new Singleton()，事实上初始化对象操作不是原子性的，它包含下面两个动作:

给对象分配内存空间，
内存空间的初始化
将内存地址赋值给变量

其中2，3没有依赖关系，经过编译器或者cpu指令重排后，可能会导致 2,3顺序发生变化：

给对象分配内存空间，
将内存地址赋值给变量 //此时变量已经不等于 null, 但是变量指向的内存区域还没有初始化
内存空间的初始化

假设线程A按照第二种顺序执行，在执行完步骤3时，还没有执行步骤2，线程B执行到第一个if(null == instance)判断，就会直接返回 instance。这样对于线程B来说 getInstance() 方法返回的是一个没有经过初始化的对象，导致程序出现问题

解决问题的方法很简单： private volatile static Singleton instance= null; 使用 volatile 关键词禁止 instance 变量被执行指令重排优化即可

原子性问题

指的使一个操作是不可中断的，即使在多线程环境下，一旦操作开始就不会被其他线程影响

java 中可以通过 synchronize 和 lock 保证原子性，它们能保证任意时刻只有一个线程访问代码

java内存模型 （JMM）

主内存

工作内存

可见性问题

volatile

volatile 原理

特性

volatile 番外

有序性问题

指令重排

如何禁止指令重排

volatile

加锁保证有序性

禁止指令重排的经典应用

原子性问题

java内存模型（JMM）