线程安全问题

线程安全问题

线程安全问题主要从三个层面体现，分别是原子性，可见性，有序性

一、原子性

原子（atomic）就是不可分割的意思，原子操作的不可分割有两层含义

1）访问（读，写）某个共享变量的操作从从其他线程来看，该操作要么已经执行完毕

，要么尚未发生，即其他线程不希望获取到当前线程执行的中间结果

2）访问同一组共享变量的原子操作时不能够交错的

 

如：现实中ATM机取款，对于用户来说，要么操作成功（用户拿到钱，余额减少），要么操作失败（用户没拿到钱，取款操作没有发生）

 

java中有两种方式实现了原子性

1）使用锁

2）使用处理器的CAS指令（compare and swap--比较和替换）

锁具有排他性，保证某一共享变量在某一时刻只能被一个线程访问

CAS指令直接在硬件（处理器和内存）层次上实现，可以看作是硬件锁

二、可见性

在多线程环境中，一个线程对某个共享变量进行更新之后，后续其他的线程可能无法

立即读取到这个更新的结果，这就是线程安全问题的另一种形式：可见性（visibility）

如果一个线程对共享变量更新后，后续访问该变量的其他线程可以读到更新的结果

则称这个线程对共享变量的更新对其他线程可见，否则称该线程对共享变量的更新对其他

线程不可见

多线程的可见性问题可能导致其他线程读取到旧数据（脏数据）

三、有序性

有序性（ordering）是指在什么情况下一个处理器上运行的一个线程所执行的内存访问

操作在另外一个处理器运行的其他线程看来是乱序的

乱序是指内存访问操作看起来顺序发生了变化

为了保证线程的有序性，产生了如下几个概念

1）重排序

1.1）指令重排序

在源码顺序与程序顺序不一致，或者程序顺序与执行顺序不一致的情况下 ，我们就说发生了

指令重排序

指令重排是一种动作，确实对指令的顺序做了调整，重排序的对象指令。

javac编译器一般不会执行指令重排序，而jit编译器可能执行指令重排序

处理器也可能执行指令重排序，使得执行顺序和程序顺序不一致

指令重排不会对单线程程序的结果正确性产生影响，可能导致多线程程序出现非预期结果

1.2）存储子系统重排序

存储子系统是指写缓冲器与高速缓存

高速缓存（cache）是cpu中为了匹配主内存的处理速度而设计的一个高速缓存

写缓冲器（store buffer / write buffer）

即使处理器严格按照程序顺序执行两个内存访问操作，在存储子系统的作用下，其他

处理器对这两个操作的感知顺序与程序顺序不一致，即这两个操作的顺序看起来像是

发生了变化，这种现象称为存储子系统重排序，

存储子系统重排序并没有真正的对指令执行顺序进行调整，二是造成一种指令执行顺序

被调整的假象

从处理器角度来看，读内存就是从指定的RAM地址中加载数据到寄存器，称为load操作

，写内存就是把数据存储到指定的地址表示的RAM存储单元中，称为store操作。

内存重排序有以下4种可能

loadload重排序，一个处理器先后执行两个读操作l1和l2，其他处理器对两个内存操作的

感知顺序可能是l2->l1

storesotre重排序，一个处理器先后执行两个写操作w1和w2，其他处理器对两个内存操作

的感知顺序可能是w2->w1

loadstore重排序，一个处理器先执行读内存操作l1再执行写内存w1,

其他处理器对两个内存操作的感知顺序可能是w1->l1

storeload重排序，一个处理器先执行写内存操作w1再执行读内存操作l1，其他处理器对两个

内存操作的感知顺序可能是l1->w1

内存重排序与具体的处理器微架构有关，不同架构的处理器所允许的内存重排序不同，内存重排序可能会导致线程安全问题。

2）貌似串行语义

jit编译器，处理器，存储子系统是按照一定的规则对指令，内存操作的结果进行重排序，给单线程程序造成一种假象--指令是按照源码的顺序执行的，这种假象称为貌似串行语义

并不能保证多线程环境程序的正确性

存在数据依赖关系的程序不能被重排序

存在控制依赖关系的程序可能被重排序

四、怎么保证线程安全

可以使用synchronized关键字，synchronized关键字可以保证线程的原子性，可见性，有序性

volatile关键字可以保证共享变量再线程之间可见

 

五、CAS

CAS（compare and swap）