Java并发编程(一)---原子性,可见性,有序性

网友投稿 543 2022-05-29

摘要

并发编程世界里,由于CPU缓存导致的可见性问题,线程切换导致的原子性问题,以及编译器重排序导致的有序性问题是并发编程Bug的根源。

正文

可见性

一个线程对共享变量的修改。另外一个线程能够立刻看到,我们称之为可见性。共享变量指的是存放在堆内存,由所有线程所共享的变量。比如:实例变量,静态变量。

如图所示:

共享变量V可以由线程A和线程B同时操作,线程A和B首先从各自的CPU缓存或者寄存器中读取数值,然后由CPU的寄存器写入内存中。

public class LongTest { private static long atest = 0L; public void countTest() { for (int i = 0; i < 10000; i++) { atest = atest + 1; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final LongTest longTest = new LongTest(); Thread threadA = new Thread(new Runnable() { public void run() { longTest.countTest(); } }); Thread threadB = new Thread(new Runnable() { public void run() { longTest.countTest(); } }); threadA.start(); threadB.start(); threadA.join(); threadB.join(); System.out.println("*******获得到的atest值为=" + atest); } }

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如上程序,运行之后我们会发现 atest 值永远都不会到达20000,而是在10000-20000之间的随机数。

原因分析:假设线程A和线程B同时执行 atest = atest + 1;, 线程A 读取到的原值是0,执行+1操作之后,得到新值1,同样的,线程B也是读取到的原值0,然后执行+1操作,得到新值1。这样就永远得不到结果2。

类推的话,循环执行10000次也是同理,线程A执行+1操作时不能及时获得线程B已经写入的值,故导致值永远不可能达到20000。

原子性

由于一条高级语句在CPU中可能会分成若干条指令来执行,每条指令执行完之后就有可能会发生线程切换。故线程切换造成的原子性问题。

例如: count=count+1 共有三个指令

指令一: 将count值从内存加载到到CPU的寄存器中

指令二:在寄存器中+1操作

指令三 :将新值写入到内存中(由于缓存机制,写入的可能是CPU的缓存而不是内存)

操作系统做任务切换可以发生在任何一条CPU指令执行完,是CPU指令执行完。

我们将一个或者多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性称之为原子性。

有序性

编译器重排序导致的有序性问题:

例如:双重加锁中的:

public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance = null; private SingletonDemo(){ } static SingletonDemo getSingletonDemo() { if (instance == null) { synchronized (SingletonDemo.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonDemo(); //6 } } } return instance; } }

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Java并发编程(一)---原子性,可见性,有序性

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这里会有有序性问题:

问题主要出在了 new SingletonDemo() 这一步

因为instance = new SingletonDemo();主要有三个指令

分配内存空间M

在内存M上初始化对象

然后M的地址赋值给instance变量

正常顺序是1-2-3

但是CPU重排序之后执行顺序可能变成了 1-3-2

步骤如下:

A首先进入synchronized,由于instance为null,所以它执行instance = new SingletonDemo();

然后线程 A执行1->JVM先画出了一些分配给SingletonDemo实例的空白内存,并赋值给instance

在还没有进行第三步(将instance引用指向内存空间)的时候,恰好发生了线程切换 ,切换到了线程B上,

如果此时线程B也执行getSingletonDemo()方法,那么线程B 在执行第一个判断是会发现instance!=null,所以直接返回了instance,而此时的instance是没有初始化的。

总结

并发编程中主要的问题就是可见性问题, 原子性问题,有序性问题。本文介绍了这三种问题的发生原因,以及发生的场景。

Java 任务调度

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