詭異并發(fā)三大惡人之有序性
上一節(jié)阿粉我和大家一起打到了并發(fā)中的惡人可見(jiàn)性和原子性，這一節(jié)我們繼續(xù)討伐三惡之一的有序性。
序、有序性的闡述
有序性為什么要探討?因?yàn)?Java 是面向?qū)ο缶幊痰?，關(guān)注的只是最終結(jié)果，很少去研究其具體執(zhí)行過(guò)程?正如上一篇文章在介紹可見(jiàn)性時(shí)描述的一樣，操作系統(tǒng)為了提升性能，將 Java 語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言的時(shí)候，吩咐編譯器對(duì)語(yǔ)句的執(zhí)行順序進(jìn)行了一定的修改，以促使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。所以在很多情況下，訪問(wèn)一個(gè)程序變量(對(duì)象實(shí)例字段，類(lèi)靜態(tài)字段和數(shù)組元素)可能會(huì)使用不同的順序執(zhí)行，而不是程序語(yǔ)義所指定的順序執(zhí)行。
正如大家所熟知那樣，Java語(yǔ)言是運(yùn)行在 Java 自帶的 JVM(Java Virtual Machine) 環(huán)境中，在JVM環(huán)境中源代碼(.class)的執(zhí)行順序與程序的執(zhí)行順序(runtime)不一致，或者程序執(zhí)行順序與編譯器執(zhí)行順序不一致的情況下，我們就稱程序執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生了重排序。
而編譯器的這種修改是自以為能保證最終運(yùn)行結(jié)果!因?yàn)樵趩魏藭r(shí)代完全沒(méi)問(wèn)題;但是隨著多核時(shí)代的到來(lái)，多線程的環(huán)境下，這種優(yōu)化碰上線程切換就大大的增加了事故的出現(xiàn)幾率!
好心辦了壞事!
也就是說(shuō)，有序性 指的是在代碼順序結(jié)構(gòu)中，我們可以直觀的指定代碼的執(zhí)行順序, 即從上到下按序執(zhí)行。但編譯器和CPU處理器會(huì)根據(jù)自己的決策，對(duì)代碼的執(zhí)行順序進(jìn)行重新排序。優(yōu)化指令的執(zhí)行順序，提升程序的性能和執(zhí)行速度，使語(yǔ)句執(zhí)行順序發(fā)生改變，出現(xiàn)重排序，但最終結(jié)果看起來(lái)沒(méi)什么變化(單核)。
有序性問(wèn)題 指的是在多線程環(huán)境下(多核)，由于執(zhí)行語(yǔ)句重排序后，重排序的這一部分沒(méi)有一起執(zhí)行完，就切換到了其它線程，導(dǎo)致的結(jié)果與預(yù)期不符的問(wèn)題。這就是編譯器的編譯優(yōu)化給并發(fā)編程帶來(lái)的程序有序性問(wèn)題。
用圖示就是：
阿粉小結(jié)：編譯優(yōu)化最終導(dǎo)致了有序性問(wèn)題。
一、導(dǎo)致有序性的原因：
如果一個(gè)線程寫(xiě)入值到字段 a，然后寫(xiě)入值到字段 b ，而且b的值不依賴于 a 的值，那么，處理器就能夠自由的調(diào)整它們的執(zhí)行順序，而且緩沖區(qū)能夠在 a 之前刷新b的值到主內(nèi)存。此時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)有序性問(wèn)題。
例子：
- 1import java.time.LocalDateTime;
- 2
- 3/**
- 4 * @author ：mmzsblog
- 5 * @description：并發(fā)中的有序性問(wèn)題
- 6 * @date ：2020年2月26日 15:22:05
- 7 */
- 8public class OrderlyDemo {
- 9
- 10 static int value = 1;
- 11 private static boolean flag = false;
- 12
- 13 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
- 14 for (int i = 0; i < 199; i++) {
- 15 value = 1;
- 16 flag = false;
- 17 Thread thread1 = new DisplayThread();
- 18 Thread thread2 = new CountThread();
- 19 thread1.start();
- 20 thread2.start();
- 21 System.out.println("=========================================================");
- 22 Thread.sleep(6000);
- 23 }
- 24 }
- 25
- 26 static class DisplayThread extends Thread {
- 27 @Override
- 28 public void run() {
- 29 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread begin, time:" + LocalDateTime.now());
- 30 value = 1024;
- 31 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " change flag, time:" + LocalDateTime.now());
- 32 flag = true;
- 33 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread end, time:" + LocalDateTime.now());
- 34 }
- 35 }
- 36
- 37 static class CountThread extends Thread {
- 38 @Override
- 39 public void run() {
- 40 if (flag) {
- 41 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
- 42 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is true, time:" + LocalDateTime.now());
- 43 } else {
- 44 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
- 45 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is false, time:" + LocalDateTime.now());
- 46 }
- 47 }
- 48 }
- 49}
運(yùn)行結(jié)果：
從打印的可以看出：在 DisplayThread 線程執(zhí)行的時(shí)候肯定是發(fā)生了重排序，導(dǎo)致先為 flag 賦值，然后切換到 CountThread 線程，這才出現(xiàn)了打印的 value 值是1，falg 值是 true 的情況，再為 value 賦值;不過(guò)出現(xiàn)這種情況的原因就是這兩個(gè)賦值語(yǔ)句之間沒(méi)有聯(lián)系，所以編譯器在進(jìn)行代碼編譯的時(shí)候就可能進(jìn)行指令重排序。
用圖示，則為：
二、如何解決有序性
2.1、volatile
volatile 的底層是使用內(nèi)存屏障來(lái)保證有序性的(讓一個(gè) CPU 緩存中的狀態(tài)(變量)對(duì)其他 CPU 緩存可見(jiàn)的一種技術(shù))。
volatile 變量有條規(guī)則是指對(duì)一個(gè) volatile 變量的寫(xiě)操作， Happens-Before于后續(xù)對(duì)這個(gè) volatile 變量的讀操作。并且這個(gè)規(guī)則具有傳遞性，也就是說(shuō)：
此時(shí)，我們定義變量 flag 時(shí)使用 volatile 關(guān)鍵字修飾，如：
- 1 private static volatile boolean flag = false;
此時(shí)，變量的含義是這樣子的：
也就是說(shuō)，只要讀取到 flag=true; 就能讀取到 value=1024;否則就是讀取到flag=false; 和 value=1 的還沒(méi)被修改過(guò)的初始狀態(tài);
但也有可能會(huì)出現(xiàn)線程切換帶來(lái)的原子性問(wèn)題，就是讀取到 flag=false; 而value=1024 的情況;看過(guò)上一篇講述[原子性]()的文章的小伙伴，可能就立馬明白了，這是線程切換導(dǎo)致的。
2.2、加鎖
此處我們直接采用Java語(yǔ)言內(nèi)置的關(guān)鍵字 synchronized，為可能會(huì)重排序的部分加鎖，讓其在宏觀上或者說(shuō)執(zhí)行結(jié)果上看起來(lái)沒(méi)有發(fā)生重排序。
代碼修改也很簡(jiǎn)單，只需用 synchronized 關(guān)鍵字修飾 run 方法即可,代碼如下:
- 1 public synchronized void run() {
- 2 value = 1024;
- 3 flag = true;
- 4 }
同理，既然是加鎖，當(dāng)然也可以使用 Lock 加鎖，但 Lock 必須要用戶去手動(dòng)釋放鎖，如果沒(méi)有主動(dòng)釋放鎖，就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。這點(diǎn)在使用的時(shí)候一定要注意!
使用該種方式加鎖也很簡(jiǎn)單，代碼如下：
- 1 readWriteLock.writeLock().lock();
- 2 try {
- 3 value = 1024;
- 4 flag = true;
- 5 } finally {
- 6 readWriteLock.writeLock().unlock();
- 7 }
好了，以上內(nèi)容就是我對(duì)并發(fā)中的有序性的一點(diǎn)理解與總結(jié)了，通過(guò)這三篇文章我們也就大致掌握了并發(fā)中常見(jiàn)的可見(jiàn)性、有序性、原子性問(wèn)題以及它們常見(jiàn)的解決方案。
最后
阿粉簡(jiǎn)單總結(jié)下三篇文章文章中使用的解決方案之間的區(qū)別：
References
[1]: https://juejin.im/post/5d52abd1e51d4561e6237124
[2]: https://juejin.im/post/5d89fd1bf265da03e71b3605
[3]: https://www.cnblogs.com/54chensongxia/p/12120117.html
[4]: http://ifeve.com/jmm-faq-reordering/
