并发问题的源头

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String、StringBuiler和StringBuffer面试那些事中提到了线程安全的问题,那今天就来聊聊并发问题的源头。

线程切换带来的原子性问题

一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此,比如i = i+1;其中就包括,读取i的值,计算i,写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的。

原子性.png

CPU缓存导致的可见性问题

当多个线程访问同一个变量时,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。

若两个线程在不同的cpu,线程A和线程B同时执行,会从主内存中加载共享变量V缓存到本地内存中。线程A修改了共享变量V还没有写到主存中,线程B也修改了变量V,两线程之间互不可见。那么当它们向主存中刷新变量V的值时,一定有一个线程会覆盖另外一个线程的结果。这就是可见性问题。

可见性.png

编译优化带来的有序性问题

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下:

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4 

则因为重排序,他还可能执行顺序为 2-1-3-4,1-3-2-4,但绝不可能 2-1-4-3,因为这打破了依赖关系。显然重排序对单线程运行是不会有任何问题,而多线程就不一定了,所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。 例:

    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void write() {
        a = 1;  //1
        flag = true; //2
    }

    public void read() {
        if (flag) { // 3
            int b = a * a; //4
        }
    }

上面的代码中,线程A执行write(),线程B执行read(),如果发生指令重排先执行了flag=true,此时线程切换到B去执行,执行结果就是错的了。

双重校验锁机制的线程安全

public class DoubleCheckLockSingleton {


    private static DoubleCheckLockSingleton INSTANCE = null;

    public static DoubleCheckLockSingleton getINSTANCE(){
        if (INSTANCE == null) {  // 第1次校验
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                if (INSTANCE == null) { // 第2次校验
                    INSTANCE = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }

        return INSTANCE;
    }

    private DoubleCheckLockSingleton() {

    }
}

先看下上面这段代码,很多人一眼就看出问题了,INSTANCE缺少volatile关键字修饰。那我们就来探讨下,DCL单例到底需不需要volatile?

未命名文件.png

使用上图来解释下,线程1正在执行instance初始化,但是因为对象初始化操作指令不是原子操作,那么在执行初始化和将内存空间地址指向分配好的对象两个指令上如果发生指令重排,那么对于其他线程来说时不可见的,当astore指令执行完成时,这时的instance已经不等于null了,那么线程二就会返回一个没有执行完初始化的instance对象。

总结

原子性、可见性和有序性都会导致并发问题,所有并发问题的处理也都是围绕这三个特性的。

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