java多线程3:原子性,可见性,有序性

概念

  在了解线程安全问题之前,必须先知道为什么需要并发,并发给我们带来什么问题。

       为什么需要并发,多线程?

  1. 时代的召唤,为了更充分的利用多核CPU的计算能力,多个线程程序可通过提高处理器的资源利用率来提升程序性能。
  2. 方便业务拆分,异步处理业务,提高应用性能。

   多线程并发产生的问题?

  1. 大量的线程让CPU频繁上下文切换带来的系统开销。
  2. 临界资源线程安全问题(共享,可变)。
  3. 容易造成死锁。

注意:当多个线程执行一个方法时,该方法内部的局部变量并不是临界资源,因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中,因此不具有共享性质,不会导致线程安全问题。

可见性

 多线程访问同一个变量时,如果有一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。这是因为为了保证多个CPU之间的高速缓存是一致的,操作系统会有一个缓存一致性协议,volatile就是通过OS的缓存一致性协议策略来保证了共享变量在多个线程之间的可见性。

public class ThreadDemo2 {

    private static boolean flag = false;

    public void thread_1(){
        flag = true;
        System.out.println("线程1已对flag做出改变");
    }

    public void thread_2(){
        while (!flag){
        }
        System.out.println("线程2->flag已被修改,成功打断循环");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo2 threadDemo2 = new ThreadDemo2();
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            threadDemo2.thread_2();
        });
        Thread thread1= new Thread(()->{
            threadDemo2.thread_1();
        });
        thread2.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread1.start();
    }
}

执行结果

线程1已对flag做出改变

代码无论执行多少次,线程2的输出语句都不会被打印。为flag添加volatile修饰后执行,线程2执行的语句被打印

执行结果

线程1已对flag做出改变
线程2->flag已被修改,成功打断循环

局限:volatile只是保证共享变量的可见性,无法保证其原子性。多个线程并发时,执行共享变量i的i++操作<==> i = i + 1,这是分两步执行,并不是一个原子性操作。根据缓存一致性协议,多个线程读取i并对i进行改变时,其中一个线程抢先独占i进行修改,会通知其他CPU我已经对i进行修改,把你们高速缓存的值设为无效并重新读取,在并发情况下是可能出现数据丢失的情况的。

public class ThreadDemo3 {
    private volatile static int count = 0;
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; ++i){
            Thread thread = new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; ++j){
                    count++;
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count执行的结果为->" + count);
    }
}

执行结果

count执行的结果为->9561

注意:这个结果是不固定的,有时10000,有时少于10000。

原子性

就像恋人一样同生共死,表现在多线程代码中程序一旦开始执行,就不会被其他线程干扰要嘛一起成功,要嘛一起失败,一个操作不可被中断。在上文的例子中,为什么执行结果不一定等于10000,就是因为在count++是多个操作,1.读取count值,2.对count进行加1操作,3.计算的结果再赋值给count。这几个操作无法构成原子操作的,在一个线程读取完count值时,另一个线程也读取他并给它赋值,根据缓存一致性协议通知其他线程把本次读取的值置为无效,所以本次循环操作是无效的,我们看到的值不一定等于10000,如何进行更正---->synchronized关键字

public class ThreadDemo3 {
    private volatile static int count = 0;
    private static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; ++i){
            Thread thread = new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; ++j){
                    synchronized (object){
                        count++;
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count执行的结果为->" + count);
    }
}

执行结果

count执行的结果为->10000

加锁后,线程在争夺执行权就必须获取到锁,当前线程就不会被其他线程所干扰,保证了count++的原子性,至于synchronized为什么能保证原子性,篇幅有限,下一篇在介绍。

有序性

jmm内存模型允许编译器和CPU在单线程执行结果不变的情况下,会对代码进行指令重排(遵守规则的前提下)。但在多线程的情况下却会影响到并发执行的正确性。

public class ThreadDemo4 {
    private static int x = 0,y = 0;
    private static int a = 0,b = 0;
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (;;){
            i++;
            x = 0;y = 0;
            a = 0;b = 0;
            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    waitTime(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();
            System.out.println("第" + i + "次执行结果(" + x + "," + y + ")");
            if (x == 0 && y == 0){
                System.out.println("在第" + i + "次发生指令重排,(" + x + "," + y + ")");
                break;
            }
        }
    }
    public static void waitTime(int time){
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        }while (start + time >= end);
    }

}

执行结果

第1次执行结果(0,1)
第2次执行结果(1,0)
....
第35012次执行结果(0,1)
第35013次执行结果(0,0)
在第35013次发生指令重排,(0,0)

如何解决上诉问题哪?volatile的另一个作用就是禁止指令重排优化,它的底层是内存屏障,其实就是一个CPU指令,一个标识,告诉CPU和编译器,禁止在这个标识前后的指令执行重排序优化。内存屏障的作用有两个,一个就是上文所讲的保证变量的内存可见性,第二个保证特定操作的执行顺序。

补充

 指令重排序:Java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义,程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等,那么指令的执行顺序可以和代码顺序不一致。JVM根据处理器特性,适当的堆机器指令进行重排序,使机器指令更符号CPU的执行特性,最大限度发挥机器性能。

as-if-serial语义:不管怎么重排序,单线程程序的执行结果不能被改变,编译器和处理器都必须遵守这个原则。

happens-before原则:辅助保证程序执行的原子性,可见性和有序性的问题,判断数据是否存在竞争,线程是否安全的依据(JDK5)

1. 程序顺序原则,即在一个线程内必须保证语义串行性,也就是说按照代码顺序执行。

2. 锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前,也就是说, 如果对于一个锁解锁后,再加锁,那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。

3. volatile规则 volatile变量的写,先发生于读,这保证了volatile变量的可见性,简单 的理解就是,volatile变量在每次被线程访问时,都强迫从主内存中读该变量的值,而当 该变量发生变化时,又会强迫将最新的值刷新到主内存,任何时刻,不同的线程总是能 够看到该变量的最新值。

4. 线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作,即如果线程A在执行线程B的 start方法之前修改了共享变量的值,那么当线程B执行start方法时,线程A对共享变量 的修改对线程B可见

5. 传递性 A先于B ,B先于C 那么A必然先于C

6. 线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结,Thread.join()方法的作用是等待当前 执行的线程终止。假设在线程B终止之前,修改了共享变量,线程A从线程B的join方法 成功返回后,线程B对共享变量的修改将对线程A可见。

7. 线程中断规则 对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中 断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。

 

posted @ 2020-04-23 09:15  一剑天门  阅读(743)  评论(0编辑  收藏  举报