极客时间《Java并发编程实战》---并发编程BUG的源头与Java如何解决可见性和有序性问题笔记

小鱼儿 2023-01-05 05:21 163阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  并发编程bug的源头之一：缓存导致的可见性问题
 *  并发编程bug的源头之二：线程切换带来的原子性问题
 *  并发编程bug的源头之三：编译优化带来的有序性问题
 *  Java内存模型-----解决可见性和有序性问题
 *   *   *  volatile 关键字
         *  六项 Happens-Before 规则---前面一个操作的结果对后续操作可见
         *   *   *  1. 程序的顺序性规则
                 *  2. volatile 变量规则
                 *  2. 传递性----如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。
                 *  4. 管程中锁的规则-----对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁
                 *  5. 线程 start() 规则
                 *  6. 线程 join() 规则
         *  final 关键字

> 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**  
> 原子性：**把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性**  
> 有序性：**指的是程序按照代码的先后顺序执行**

# 并发编程bug的源头之一：缓存导致的可见性问题 #

**单核时代**，可见性问题是不用操心的，因为他就是同一块地方，同一块缓存。线程A对它进行修改，线程B立马就能够读取到。  
**多核时代下**，缓存的模型就变成了这样，每颗CPU都有了自己的缓存。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
这样子的话，线程A对于变量V的修改，线程B就看不到了。这就会导致一些诡异的问题，比如：

public class Test { 
        private static long count = 0;
    
        private void add10K() { 
            int idx = 0;
            while (idx++ < 10000) { 
                count += 1;
            }
        }
        public static long calc() throws InterruptedException { 
            final Test test = new Test();
            // 创建两个线程，执行add()操作
            Thread th1 = new Thread(() -> { 
                test.add10K();
            });
            Thread th2 = new Thread(() -> { 
                test.add10K();
            });
            // 启动两个线程
            th1.start();
            th2.start();
            // 等待两个线程执行结束
            th1.join();
            th2.join();
            return count;
        }
        public static void clean() { 
            count = 0;
        }
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            System.out.println(calc());
            clean();
            System.out.println(calc());
            clean();
            System.out.println(calc());
            clean();
            System.out.println(calc());
            clean();
            System.out.println(calc());
            clean();
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
按照人为思想来看，结果应该是20 000。但实际上却不是，这就是因为他们第一次执行时，都会将 count=0 读到各自的 CPU 缓存里，执行完 count+=1 之后，各自 CPU 缓存里的值都是 1，同时写入内存后，我们会发现内存中是 1，而不是我们期望的 2。之后由于各自的 CPU 缓存里都有了 count 的值，两个线程都是基于 CPU 缓存里的 count 值来计算，所以导致最终 count 的值都是小于 20000 的。这就是缓存的可见性问题。

关于更详细的缓存知识可见：[聊聊计算机缓存][Link 1]

# 并发编程bug的源头之二：线程切换带来的原子性问题 #

举例：count+=1，大致需要三条指令完成。CPU发生切换是在不确定的任何时候。

1.  指令 1：首先，需要把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；
2.  指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；
3.  指令 3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

**如图中切换的话，自然不符合预期。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 并发编程bug的源头之三：编译优化带来的有序性问题 #

顾名思义，就是编译器的优化可能会改变代码的执行顺序。  
比如：利用双重检查创建单例对象，例如下面的代码：在获取实例 getInstance() 的方法中，我们首先判断 instance 是否为空，如果为空，则锁定 Singleton.class 并再次检查 instance 是否为空，如果还为空则创建 Singleton 的一个实例。

public class Singleton { 
      static Singleton instance;
      static Singleton getInstance(){ 
        if (instance == null) { 
          synchronized(Singleton.class) { 
            if (instance == null)
              instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
      }
    }

那么为什么需要双重检查呐？过程如下，假设有两个线程 A、B 同时调用 getInstance() 方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对 Singleton.class 加锁，此时 JVM 保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程 A），另外一个线程则会处于等待状态（假设是线程 B）；线程 A 会创建一个 Singleton 实例，之后释放锁，锁释放后，线程 B 被唤醒，线程 B 再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，**加锁成功后，线程 B 检查 instance == null 时会发现，已经创建过 Singleton 实例了，所以线程 B 不会再创建一个 Singleton 实例。（如果这里不是双重检查，那就会再次创建 Singleton 实例呀）**

这看上去一切都很完美，无懈可击，但实际上这个 getInstance() 方法并不完美。问题出在哪里呢？出在 new 操作上，我们以为的 new 操作应该是：

1.  分配一块内存 M；
2.  在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
3.  然后 M 的地址赋值给 instance 变量。

但是实际上优化后的执行路径却是这样的：

1.  分配一块内存 M；
2.  将 M 的地址赋值给 instance 变量；
3.  最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象。(这其实和写时复制同理)

这样优化后导致的其中一种情况就是：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# Java内存模型-----解决可见性和有序性问题 #

导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化，那解决可见性、有序性**最直接的办法就是禁用缓存和编译优化**，但是这样问题虽然解决了，我们程序的性能可就堪忧了。那么其实最可取的方式就是让程序员**按需禁用缓存和编译优化**。所以Java提供了**volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则**来让程序员自己决定何时使用/禁用缓存。

### volatile 关键字 ###

其实就是**禁用CPU缓存**，例如，我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，**必须从内存中读取或者写入**。

### 六项 Happens-Before 规则—前面一个操作的结果对后续操作可见 ###

比较正式的说法是：**Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则**。需要注意的是，这六项规则都是关于可见性的。

##### 1. 程序的顺序性规则 #####

class VolatileExample { 
      int x = 0;
      volatile boolean v = false;
      public void writer() { 
        x = 42;
        v = true;
      }
      public void reader() { 
        if (v == true) { 
          // 这里x会是多少呢？
        }
      }
    }

比如这段代码，按照程序的顺序，第 6 行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第 7 行代码 “v = true;”，这就是规则 1 的内容，也比较符合单线程里面的思维：**程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的**。（这里的限制并没有意味着在reader()中v==true时，x 会是42）

##### 2. volatile 变量规则 #####

**对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作**。其实就是对这个变量写入后，后续线程等都能够读取到最新的值。

##### 2. 传递性----如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
从图中，我们可以看到：

*  “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；
 *  写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则 2 的内容 。

再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？

如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到 “x == 42” （**注意这里如果v不是volatile的话，就无法传递了**），有没有一种恍然大悟的感觉？这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的。

##### 4. 管程中锁的规则-----对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁 #####

synchronized (this) {  //此处自动加锁
      // x是共享变量,初始值=10
      if (this.x < 12) { 
        this.x = 12; 
      }  
    } //此处自动解锁

假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。(感觉其实就是处理了缓存与内存之间的同步关系，释放锁时强制刷到内存，然后在下一次加锁时强制要求其他线程从内存中读入缓存后再使用)

##### 5. 线程 start() 规则 #####

**指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作**。如以下代码所示：

Thread B = new Thread(()->{ 
      // 主线程调用B.start()之前
      // 所有对共享变量的修改，此处皆可见
      // 此例中，var==77
    });
    // 此处对共享变量var修改
    var = 77;
    // 主线程启动子线程
    B.start();

##### 6. 线程 join() 规则 #####

指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对**共享变量**的操作。

Thread B = new Thread(()->{ 
      // 此处对共享变量var修改
      var = 66;
    });
    // 例如此处对共享变量修改，
    // 则这个修改结果对线程B可见
    // 主线程启动子线程
    B.start();
    B.join()
    // 子线程所有对共享变量的修改
    // 在主线程调用B.join()之后皆可见
    // 此例中，var==66

### final 关键字 ###

final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。

当然了，在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。

那么什么是“逸出”呐？举个例子来讲，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因此我们一定要避免“逸出”。

final int x;
    // 错误的构造函数
    public FinalFieldExample() {  
      x = 3;
      y = 4;
      // 此处就是讲this逸出，
      global.obj = this;
    }

**逸出 指的是对封装性的破坏**。比如对一个对象的操作，通过将这个对象的this赋值给一个外部全局变量，使得这个全局变量可以绕过对象的封装接口直接访问对象中的成员，这就是逸出。

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