Java并发编程实战 01|并发编程的Bug源头

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Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

Java并发编程实战 01|并发编程的Bug源头

原创 Johnson木木码上天 4月14日

摘要

编写正确的并发程序对我来说是一件极其困难的事情，由于知识不足，只知道synchronized这个修饰符进行同步。本文为学习极客时间：Java并发编程实战 01的总结，文章取图也是来自于该文章

并发Bug源头

在计算机系统中，执行速度为： CPU > 内存 > I/O设备，为了平衡这三者的速度差异，计算机体系机构、操作系统、编译程序都进行了优化：

1.CPU增加了缓存，以均衡和内存的速度差异
2.操作系统增加了进程、线程，已分时复用CPU，以均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异
3.编译程序优化指令执行顺序，使得缓存能够更加合理的利用。

但是这三者导致的问题为：可见性、原子性、有序性

源头之一：CPU缓存导致的可见性问题

一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立即看到，那么就称为可见性。现在多核CPU时代中，每颗CPU都有自己的缓存，CPU之间并不会共享缓存；

如线程A从内存读取变量V到CPU-1，操作完成后保存在CPU-1缓存中，还未写到内存中。
此时线程B从内存读取变量V到CPU-2中，而CPU-1缓存中的变量V对线程B是不可见的
当线程A把更新后的变量V写到内存中时，线程B才可以从内存中读取到最新变量V的值

上述过程就是线程A修改变量V后，对线程B不可见，那么就称为可见性问题。

源头之二：线程切换带来的原子性问题

现代的操作系统都是基于线程来调度的，现在提到的“任务切换”都是指“线程切换”
Java并发程序都是基于多线程的，自然也会涉及到任务切换，在高级语言中，一条语句可能就需要多条CPU指令完成，例如在代码 count += 1 中，至少需要三条CPU指令。

指令1：把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器中
指令2：在寄存器中把变量 count + 1
指令3：把变量 count 写入到内存（缓存机制导致可能写入的是CPU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，所以并不是高级语言中的一条语句，不要被 count += 1 这个操作蒙蔽了双眼。假设count = 0，线程A执行完指令1 后，做任务切换到线程B执行了指令1、指令2、指令3后，再做任务切换回线程A。我们会发现虽然两个线程都执行了 count += 1 操作。但是得到的结果并不是2，而是1。

如果 count += 1 是一个不可分割的整体，线程的切换可以发生在 count += 1 之前或之后，但是不会发生在中间，就像个原子一样。我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性

源头之三：编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，可能会改变程序中的语句执行先后顺序。如：a = 1; b = 2;，编译器可能会优化成：b = 2; a = 1。在这个例子中，编译器优化了程序的执行先后顺序，并不影响结果。但是有时候优化后会导致意想不到的Bug。
在单例模式的双重检查创建单例对象中。如下代码：

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

问题出现在了new Singletion()这行代码，我们以为的执行顺序应该是这样的：

指令1：分配一块内存M
指令2：在内存M中实例化Singleton对象
指令3：instance变量指向内存地址M

但是实际优化后的执行路径确实这样的：

指令1：分配一块内存M
指令2：instance变量指向内存地址M
指令3：在内存M中实例化Singleton对象

这样的话看出来什么问题了吗？当线程A执行完了指令2后，切换到了线程B，
线程B判断到 if (instance != null)。直接返回instance，但是此时的instance还是没有被实例化的啊！所以这时候我们使用instance可能就会触发空指针异常了。如图：

总结

在写并发程序的时候，需要时刻注意可见性、原子性、有序性的问题。在深刻理解这三个问题后，写起并发程序也会少一点Bug啦~。记住了下面这段话：CPU缓存会带来可见性问题、线程切换带来的原子性问题、编译优化带来的有序性问题。

参考文章：极客时间：Java并发编程实战 01 | 可见性、原子性和有序性问题：并发编程Bug的源头

Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

原创 Johnson木木码上天 4月20日

摘要

在上一篇文章当中，讲到了CPU缓存导致可见性、线程切换导致了原子性、编译优化导致了有序性问题。那么这篇文章就先解决其中的可见性和有序性问题，引出了今天的主角：Java内存模型（面试并发的时候会经常考核到）

什么是Java内存模型？

现在知道了CPU缓存导致可见性、编译优化导致了有序性问题，那么最简单的方式就是直接禁用CPU缓存和编译优化。但是这样做我们的性能可就要爆炸了~。我们应该按需禁用。 Java内存模型是有一个很复杂的规范，但是站在程序员的角度上可以理解为：Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。
具体包括 volatile、synchronized、final三个关键字，以及六项Happens-Before规则。

volatile关键字

volatile有禁用CPU缓存的意思，禁用CPU缓存那么操作数据变量时直接是直接从内存中读取和写入。如：使用volatile声明变量 volatilebooleanv=false，那么操作变量 v时则必须从内存中读取或写入，但是在低于Java版本1.5以前，可能会有问题。
在下面这段代码当中，假设线程A执行了 write方法，线程B执行了 reader方法，假设线程B判断到了 this.v==true进入到了判断条件中，那么此时的x会是多少呢？

public class VolatileExample {
private int x = 0;
private volatile boolean v = false;
public void write() {
this.x = 666;
this.v = true;
}
public void reader() {
if (this.v == true) {
// 这里的x会是多少呢？
}
}
}

在1.5版本之前，该值可能为666，也可能为0；因为变量 x并没有禁用缓存（volatile），但是在1.5版本以后，该值一定为666；因为Happens-Before规则。

什么是Happens-Before规则

Happens-Before规则要表达的是：前面一个操作的结果对后续是可见的。如果第一次接触该规则，可能会有一些困惑，但是多去阅读几遍，就会加深理解。

1.程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作Happens-Before于后续的任意操作（意思就是前面的操作结果对于后续任意操作都是可以看到的）。就如上面的那段代码，按照程序的顺序： this.x=666 Happens-Before于 this.v=true。

2.Volatile 变量规则

这条规则指的是对一个Volatile变量的写操作，Happens-Before该变量的读操作。意思也就是：假设该变量被线程A写入后，那么该变量对于任何线程都是可见的。也就是禁用了CPU缓存的意思，如果是这样的话，那么和1.5版本以前没什么区别啊！那么如果再看一下规则3，就不同了。

3.传递性

这条规则指的是：如果 A Happens-Before 于B，且 B Happens-Before 于 C。那么 A Happens-Before 于 C。这就是传递性的规则。我们再来看看刚才那段代码（我复制下来方便看）

public class VolatileExample {
private int x = 0;
private volatile boolean v = false;
public void write() {
this.x = 666;
this.v = true;
}
public void reader() {
if (this.v == true) {
// 读取变量x
}
}
}

在上面代码，我们可以看到， this.x=666 Happens-Before this.v=true， this.v=true Happens-Before 读取变量x，根据传递性规则 this.x=666 Happens-Befote 读取变量x，那么说明了读取到变量 this.v=true时，那么此时的 读取变量x的指必定为 666
假设线程A执行了 write方法，线程B执行 reader方法且此时的 this.v==true，那么根据刚才所说的传递性规则，读取到的变量 x必定为 666。这就是1.5版本对volatile语义的增强。而如果在版本1.5之前，因为变量 x并没有禁用缓存（volatile），所以变量 x可能为 0哦。

4.管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁操作 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁操作。管程是一种通用的同步原语，在Java中，synchronized是Java里对管程的实现。
管程中的锁在Java里是隐式实现的。如下面的代码，在进入同步代码块前，会自动加锁，而在代码块执行完后会自动解锁。这里的加锁和解锁都是编译器帮我们实现的。

synchronized(this) { // 此处自动加锁
// x是共享变量，初始值 = 0
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} // 此处自动解锁

结合管程中的锁规则，假设 x的初始值为0，线程A执行完代码块后值会变成12，那么当线程A解锁后，线程B获取到锁进入到代码块后，就能看到线程A的执行结果 x=12。这就是管程中锁的规则

5.线程的start()规则

这条规则是关于线程启动的，该规则指的是主线程A启动子线程B后，子线程B能够看到主线程启动子线程B前的操作。
用HappensBefore解释：线程A调用线程B的start方法 Happens-Before 线程B中的任意操作。参考代码如下：

int x = 0;
public void start() {
Thread thread = new Thread(() -> {
System.out.println(this.x);
});
this.x = 666;
// 主线程启动子线程
thread.start();
}

此时在子线程中打印的变量 x值为666，你也可以尝试一下。

6.线程join()规则

这条规则是关于线程等待的，该规则指的是主线程A等待子线程B完成（主线A通过调用子线程B的 join()方法实现），当子线程B完成后，主线程能够看到子线程的操作，这里的看到指的是共享变量 的操作；
用Happens-Before解释：如果在线程A中调用了子线程B的 join()方法并成功返回，那么子线程B的任意操作 Happens-Before 于主线程调用子线程B join()方法的后续操作。看代码比较容易理解，示例代码如下：

int x = 0;
public void start() {
Thread thread = new Thread(() -> {
this.x = 666;
});
// 主线程启动子线程
thread.start();
// 主线程调用子线程的join方法进行等待
thread.join();
// 此时的共享变量 x == 666
}

被忽略的final

在1.5版本之前，除了值不可改变以外， final字段其实和普通的字段一样。在1.5以后的Java内存模型中，对 final类型变量重排进行了约束。现在只要我们的提供正确的构造函数没有逸出，那么在构造函数初始化的 final字段的最新值，必定可以被其他线程所看到。代码如下：

class FinalFieldExample {
final int x;
int y;
static FinalFieldExample f;
public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
}
static void writer() {
f = new FinalFieldExample();
}
static void reader() {
if (f != null) {
int i = f.x;
int j = f.y;
}
}

当线程执行 reader()方法，并且 f!=null时，那么此时的 final字段修饰的 f.x 必定为 3，但是 y不能保证为 4，因为它不是 final的。如果这是在1.5版本之前，那么 f.x也是不能保证为 3。
那么何为逸出呢？我们修改一下构造函数:

public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
// 此处为逸出
f = this;
}

这里就不能保证 f.x==3了，就算 x变量是用 final修饰的，为什么呢？因为在构造函数中可能会发生指令重排，执行变成下面这样：

// 此处为逸出
f = this;
x = 3;
y = 4;

那么此时的 f.x==0。所以在构造函数中没有逸出，那么final修饰的字段没有问题。详情的案例可以参考这个文档

总结

在这篇文章当中，我一开始对于文章最后部分的 final约束重排一直看的不懂。网上不断地搜索资料和看文章当中提供的资料我才慢慢看懂，反复看了不下十遍。可能脑子不太灵活吧。
该文章主要的核心内容就是Happens-Before规则，把这几条规则搞懂了就ok。

参考文章：极客时间：Java并发编程实战 02

posted on 2020-05-07 08:55 shuzihua 阅读(112) 评论(0) 编辑收藏举报

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Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

Java并发编程实战 01|并发编程的Bug源头

摘要

并发Bug源头

源头之一：CPU缓存导致的可见性问题

源头之二：线程切换带来的原子性问题

源头之三：编译优化带来的有序性问题

总结

Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

摘要

什么是Java内存模型？

volatile关键字

什么是Happens-Before规则

1.程序的顺序性规则

2.Volatile 变量规则

3.传递性

4.管程中锁的规则

5.线程的start()规则

6.线程join()规则

被忽略的final

总结

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