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java并發(fā)編程之原子性、可見(jiàn)性、有序性

 更新時(shí)間:2021年09月28日 09:00:48   作者:早起的年輕人  
這篇文章主要給大家分享的是java并發(fā)編程的原子性、可見(jiàn)性和有序性,文章會(huì)具體舉例說(shuō)明,感興趣的小伙伴可以參考一下文章的具體內(nèi)容

在java中,執(zhí)行下面這個(gè)語(yǔ)句

int i =12;

執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對(duì)變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作,然后再寫(xiě)入主存當(dāng)中。而不是直接將數(shù)值10寫(xiě)入主存(物理內(nèi)存)當(dāng)中。

1 原子性

定義:即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷,要么就都不執(zhí)行。
舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子,大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過(guò)程不具備原子性的話,會(huì)發(fā)生什么后果?

int i =12;

假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語(yǔ)句時(shí),暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過(guò)程:為低16位賦值,為高16位賦值。
那么就可能發(fā)生一種情況:當(dāng)將低16位數(shù)值寫(xiě)入之后,突然被中斷,而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值,那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

1.1 java中的原子性操作

在Java中,對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作,即這些操作是不可被中斷的,要么執(zhí)行,要么不執(zhí)行。

例如:

int x = 10;     //語(yǔ)句1
int y = x;     //語(yǔ)句2
x++;           //語(yǔ)句3
x = x + 1;     //語(yǔ)句4

語(yǔ)句1是直接將數(shù)值10賦值給x,也就是說(shuō)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句的會(huì)直接將數(shù)值10寫(xiě)入到工作內(nèi)存中,所以是原子性操作。

語(yǔ)句2實(shí)際上包含2個(gè)操作,它先要去讀取x的值,再將y的值寫(xiě)入主存,雖然讀取x的值以及 將y的值寫(xiě)入主存 這2個(gè)操作都是原子性操作,但是合起來(lái)就不是原子性操作了。
語(yǔ)句3 語(yǔ)句4 同理,先將x的值讀取到高速緩存中,然后+1賦值后,再寫(xiě)入到主存中。

也就是說(shuō),只有簡(jiǎn)單的讀取、賦值(而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量,變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。

2 可見(jiàn)性

定義:指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí),一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值,其他線程能夠立即看得到修改的值。

2.1 可見(jiàn)性問(wèn)題

例如:

//線程1
int i =12;
i=13;

//線程2 
int j=i;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1,執(zhí)行線程2的是CPU2。當(dāng)線程1執(zhí)行 i =13這句時(shí),會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中,然后賦值為13,那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?3了,卻沒(méi)有立即寫(xiě)入到主存當(dāng)中。

此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i,它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中,注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是12,那么就會(huì)使得j的值為12,而不是13。

這就是可見(jiàn)性問(wèn)題,也就是說(shuō) i 的值在線程一中修改了,沒(méi)有通知其他線程更新而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。

2.2 解決可見(jiàn)性問(wèn)題

Java提供了volatile關(guān)鍵字來(lái)保證可見(jiàn)性。

也就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí),它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存,當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí),它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。

3 有序性

定義:即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

3.1 單個(gè)線程內(nèi)程序的指令重排序

例如:

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語(yǔ)句1  
flag = true;          //語(yǔ)句2

按照我們?nèi)粘5乃季S,程序的執(zhí)行過(guò)程是從上至下一行一行執(zhí)行的,就是說(shuō)按照代碼的順序來(lái)執(zhí)行,那么JVM在實(shí)際中一定會(huì)這樣嗎??? 答案是否定的,這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序(Instruction Reorder)。

指令重排序(Instruction Reorder 是指: 處理器為了提高程序運(yùn)行效率,可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化,它不保證程序中各個(gè)語(yǔ)句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致,但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

Java內(nèi)存模型中,允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序,但是重排序過(guò)程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行,卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

比如上面的代碼中,語(yǔ)句1和語(yǔ)句2誰(shuí)先執(zhí)行對(duì)最終的程序結(jié)果并沒(méi)有影響,那么就有可能在執(zhí)行過(guò)程中,語(yǔ)句2先執(zhí)行而語(yǔ)句1后執(zhí)行。

需要注意的是:處理器在進(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴(lài)性,如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果,那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行。

3.2 多線程內(nèi)程序的指令重排序

重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果,但是多線程就不一定了。

//線程1:
context = loadContext();   //語(yǔ)句1
inited = true;             //語(yǔ)句2
 
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代碼中,由于語(yǔ)句1和語(yǔ)句2沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)性,因此可能會(huì)被重排序。假如發(fā)生了重排序,在線程1執(zhí)行過(guò)程中先執(zhí)行語(yǔ)句2,而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成,那么就會(huì)跳出while循環(huán),去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法,而此時(shí)context并沒(méi)有被初始化,就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

3.3 保證有序性的解決方法

在Java里面,可以通過(guò)volatile關(guān)鍵字來(lái)保證一定的“有序性”。
當(dāng)然可以通過(guò)synchronizedLock來(lái)保證有序性,很顯然,synchronizedLock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼,相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼,自然就保證了有序性。

3.4 volatile 保證有序性的原理

volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保證有序性,也就是說(shuō):

當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫(xiě)操作時(shí),在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行,且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見(jiàn);在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行;

在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí),不能將在對(duì)volatile變量訪問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行,也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行。

4 實(shí)例分析

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

一般說(shuō)來(lái) 有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作,那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。但實(shí)際中并不是這樣,進(jìn)行過(guò)測(cè)試后會(huì)發(fā)現(xiàn),每次執(zhí)行結(jié)束后,得到的都是一個(gè)比10000要小的值。

4.1 原理分析

自增操作是不具備原子性的,它包括讀取變量的原始值到高速緩存中、進(jìn)行加1操作、寫(xiě)入主存中這三個(gè)過(guò)程。
也就是說(shuō)自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開(kāi)執(zhí)行,就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn):

假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10,
線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作,線程1先讀取了變量inc的原始值,然后線程1被阻塞了;
然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作,線程2也去讀取變量inc的原始值,
此時(shí) 變量inc的值還沒(méi)有任何改變,此時(shí)線程2拿到的值也為10,然后進(jìn)行加1操作,然后將值11寫(xiě)入到主存中,
然后線程1繼續(xù)進(jìn)行加1操作 這里線程1中 inc的值依然為10,進(jìn)行加1操作,然后將值11寫(xiě)入到主存中

那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后,inc只增加了1。

4.2 synchronized 結(jié)合

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

4.3 Lock 結(jié)合

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

4.4 使用AtomicInteger替換int

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

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