并發(fā)編程是Java程序員最重要的技能之一，也是最難掌握的一種技能。它要求編程者對(duì)計(jì)算機(jī)最底層的運(yùn)作原理有深刻的理解，同時(shí)要求編程者邏輯清晰、思維縝密，這樣才能寫(xiě)出高效、安全、可靠的多線(xiàn)程并發(fā)程序。本系列會(huì)從線(xiàn)程間協(xié)調(diào)的方式（wait、notify、notifyAll）、Synchronized及Volatile的本質(zhì)入手，詳細(xì)解釋JDK為我們提供的每種并發(fā)工具和底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，我們會(huì)進(jìn)一步分析java.util.concurrent包的工具類(lèi)，包括其使用方式、實(shí)現(xiàn)源碼及其背后的原理。本文是該系列的第一篇文章，是這系列中最核心的理論部分，之后的文章都會(huì)以此為基礎(chǔ)來(lái)分析和解釋。

一、共享性

　　數(shù)據(jù)共享性是線(xiàn)程安全的主要原因之一。如果所有的數(shù)據(jù)只是在線(xiàn)程內(nèi)有效，那就不存在線(xiàn)程安全性問(wèn)題，這也是我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候經(jīng)常不需要考慮線(xiàn)程安全的主要原因之一。但是，在多線(xiàn)程編程中，數(shù)據(jù)共享是不可避免的。最典型的場(chǎng)景是數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，我們通常需要共享同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，即使是在主從的情況下，訪(fǎng)問(wèn)的也同一份數(shù)據(jù)，主從只是為了訪(fǎng)問(wèn)的效率和數(shù)據(jù)安全，而對(duì)同一份數(shù)據(jù)做的副本。我們現(xiàn)在，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)演示多線(xiàn)程下共享數(shù)據(jù)導(dǎo)致的問(wèn)題：

代碼段一：

package com.paddx.test.concurrent;

public class ShareData {
  public static int count = 0;

  public static void main(String[] args) {
    final ShareData data = new ShareData();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            //進(jìn)入的時(shí)候暫停1毫秒，增加并發(fā)問(wèn)題出現(xiàn)的幾率
            Thread.sleep(1);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          for (int j = 0; j < 100; j++) {
            data.addCount();
          }
          System.out.print(count + " ");
        }
      }).start();

    }
    try {
      //主程序暫停3秒，以保證上面的程序執(zhí)行完成
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("count=" + count);
  }

  public void addCount() {
    count++;
  }
}

　　上述代碼的目的是對(duì)count進(jìn)行加一操作，執(zhí)行1000次，不過(guò)這里是通過(guò)10個(gè)線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行100次，正常情況下，應(yīng)該輸出1000。不過(guò)，如果你運(yùn)行上面的程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果卻不是這樣。下面是某次的執(zhí)行結(jié)果（每次運(yùn)行的結(jié)果不一定相同，有時(shí)候也可能獲取到正確的結(jié)果）：

可以看出，對(duì)共享變量操作，在多線(xiàn)程環(huán)境下很容易出現(xiàn)各種意想不到的的結(jié)果。

二、互斥性

　　資源互斥是指同時(shí)只允許一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)者對(duì)其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，具有唯一性和排它性。我們通常允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作，但同一時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)線(xiàn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)操作。所以我們通常將鎖分為共享鎖和排它鎖，也叫做讀鎖和寫(xiě)鎖。如果資源不具有互斥性，即使是共享資源，我們也不需要擔(dān)心線(xiàn)程安全。例如，對(duì)于不可變的數(shù)據(jù)共享，所有線(xiàn)程都只能對(duì)其進(jìn)行讀操作，所以不用考慮線(xiàn)程安全問(wèn)題。但是對(duì)共享數(shù)據(jù)的寫(xiě)操作，一般就需要保證互斥性，上述例子中就是因?yàn)闆](méi)有保證互斥性才導(dǎo)致數(shù)據(jù)的修改產(chǎn)生問(wèn)題。Java 中提供多種機(jī)制來(lái)保證互斥性，最簡(jiǎn)單的方式是使用Synchronized?，F(xiàn)在我們?cè)谏厦娉绦蛑屑由蟂ynchronized再執(zhí)行：

代碼段二：

package com.paddx.test.concurrent;

public class ShareData {
  public static int count = 0;

  public static void main(String[] args) {
    final ShareData data = new ShareData();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            //進(jìn)入的時(shí)候暫停1毫秒，增加并發(fā)問(wèn)題出現(xiàn)的幾率
            Thread.sleep(1);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          for (int j = 0; j < 100; j++) {
            data.addCount();
          }
          System.out.print(count + " ");
        }
      }).start();

    }
    try {
      //主程序暫停3秒，以保證上面的程序執(zhí)行完成
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("count=" + count);
  }

  /**
   * 增加 synchronized 關(guān)鍵字
   */
  public synchronized void addCount() {
    count++;
  }
}

　　現(xiàn)在再執(zhí)行上述代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論執(zhí)行多少次，返回的最終結(jié)果都是1000。

三、原子性

　　原子性就是指對(duì)數(shù)據(jù)的操作是一個(gè)獨(dú)立的、不可分割的整體。換句話(huà)說(shuō)，就是一次操作，是一個(gè)連續(xù)不可中斷的過(guò)程，數(shù)據(jù)不會(huì)執(zhí)行的一半的時(shí)候被其他線(xiàn)程所修改。保證原子性的最簡(jiǎn)單方式是操作系統(tǒng)指令，就是說(shuō)如果一次操作對(duì)應(yīng)一條操作系統(tǒng)指令，這樣肯定可以能保證原子性。但是很多操作不能通過(guò)一條指令就完成。例如，對(duì)long類(lèi)型的運(yùn)算，很多系統(tǒng)就需要分成多條指令分別對(duì)高位和低位進(jìn)行操作才能完成。還比如，我們經(jīng)常使用的整數(shù) i++ 的操作，其實(shí)需要分成三個(gè)步驟：（1）讀取整數(shù) i 的值；（2）對(duì) i 進(jìn)行加一操作；（3）將結(jié)果寫(xiě)回內(nèi)存。這個(gè)過(guò)程在多線(xiàn)程下就可能出現(xiàn)如下現(xiàn)象：

這也是代碼段一執(zhí)行的結(jié)果為什么不正確的原因。對(duì)于這種組合操作，要保證原子性，最常見(jiàn)的方式是加鎖，如Java中的Synchronized或Lock都可以實(shí)現(xiàn)，代碼段二就是通過(guò)Synchronized實(shí)現(xiàn)的。除了鎖以外，還有一種方式就是CAS（Compare And Swap），即修改數(shù)據(jù)之前先比較與之前讀取到的值是否一致，如果一致，則進(jìn)行修改，如果不一致則重新執(zhí)行，這也是樂(lè)觀(guān)鎖的實(shí)現(xiàn)原理。不過(guò)CAS在某些場(chǎng)景下不一定有效，比如另一線(xiàn)程先修改了某個(gè)值，然后再改回原來(lái)值，這種情況下，CAS是無(wú)法判斷的。

四、可見(jiàn)性

 　　要理解可見(jiàn)性，需要先對(duì)JVM的內(nèi)存模型有一定的了解，JVM的內(nèi)存模型與操作系統(tǒng)類(lèi)似，如圖所示：

從這個(gè)圖中我們可以看出，每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)自己的工作內(nèi)存（相當(dāng)于CPU高級(jí)緩沖區(qū)，這么做的目的還是在于進(jìn)一步縮小存儲(chǔ)系統(tǒng)與CPU之間速度的差異，提高性能），對(duì)于共享變量，線(xiàn)程每次讀取的是工作內(nèi)存中共享變量的副本，寫(xiě)入的時(shí)候也直接修改工作內(nèi)存中副本的值，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上再將工作內(nèi)存與主內(nèi)存中的值進(jìn)行同步。這樣導(dǎo)致的問(wèn)題是，如果線(xiàn)程1對(duì)某個(gè)變量進(jìn)行了修改，線(xiàn)程2卻有可能看不到線(xiàn)程1對(duì)共享變量所做的修改。通過(guò)下面這段程序我們可以演示一下不可見(jiàn)的問(wèn)題：

package com.paddx.test.concurrent;

public class VisibilityTest {
  private static boolean ready;
  private static int number;

  private static class ReaderThread extends Thread {
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      if (!ready) {
        System.out.println(ready);
      }
      System.out.println(number);
    }
  }

  private static class WriterThread extends Thread {
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      number = 100;
      ready = true;
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    new WriterThread().start();
    new ReaderThread().start();
  }
}

從直觀(guān)上理解，這段程序應(yīng)該只會(huì)輸出100，ready的值是不會(huì)打印出來(lái)的。實(shí)際上，如果多次執(zhí)行上面代碼的話(huà)，可能會(huì)出現(xiàn)多種不同的結(jié)果，下面是我運(yùn)行出來(lái)的某兩次的結(jié)果：

當(dāng)然，這個(gè)結(jié)果也只能說(shuō)是有可能是可見(jiàn)性造成的，當(dāng)寫(xiě)線(xiàn)程（WriterThread）設(shè)置ready=true后，讀線(xiàn)程（ReaderThread）看不到修改后的結(jié)果，所以會(huì)打印false，對(duì)于第二個(gè)結(jié)果，也就是執(zhí)行if (!ready)時(shí)還沒(méi)有讀取到寫(xiě)線(xiàn)程的結(jié)果，但執(zhí)行System.out.println(ready)時(shí)讀取到了寫(xiě)線(xiàn)程執(zhí)行的結(jié)果。不過(guò)，這個(gè)結(jié)果也有可能是線(xiàn)程的交替執(zhí)行所造成的。Java 中可通過(guò)Synchronized或Volatile來(lái)保證可見(jiàn)性，具體細(xì)節(jié)會(huì)在后續(xù)的文章中分析。

五、順序性

　　為了提高性能，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)指令做重排序。重排序可以分為三種：

　?。?）編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線(xiàn)程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。

　?。?）指令級(jí)并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism， ILP）來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)性，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
　?。?）內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫(xiě)緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

　　我們可以直接參考一下JSR 133 中對(duì)重排序問(wèn)題的描述：

　　　　　　　?。?）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

先看上圖中的（1）源碼部分，從源碼來(lái)看，要么指令 1 先執(zhí)行要么指令 3先執(zhí)行。如果指令 1 先執(zhí)行，r2不應(yīng)該能看到指令 4 中寫(xiě)入的值。如果指令 3 先執(zhí)行，r1不應(yīng)該能看到指令 2 寫(xiě)的值。但是運(yùn)行結(jié)果卻可能出現(xiàn)r2==2，r1==1的情況，這就是“重排序”導(dǎo)致的結(jié)果。上圖（2）即是一種可能出現(xiàn)的合法的編譯結(jié)果，編譯后，指令1和指令2的順序可能就互換了。因此，才會(huì)出現(xiàn)r2==2，r1==1的結(jié)果。Java 中也可通過(guò)Synchronized或Volatile來(lái)保證順序性。

六 總結(jié)

　　本文對(duì)Java 并發(fā)編程中的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了講解，有些東西在后續(xù)的分析中還會(huì)做更詳細(xì)的討論，如可見(jiàn)性、順序性等。后續(xù)的文章都會(huì)以本章內(nèi)容作為理論基礎(chǔ)來(lái)討論。如果大家能夠很好的理解上述內(nèi)容，相信無(wú)論是去理解其他并發(fā)編程的文章還是在平時(shí)的并發(fā)編程的工作中，都能夠?qū)Υ蠹矣泻芎玫膸椭?/p>

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