多线程并发开发中,要知道什么是多线程的原子性,可见性和有序性,以避免相关的问题产生。
2.1 原子性
原子性:即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。
试想一下,如果这2个操作不具备原子性,会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后,操作突然中止。这样就会导致账户A虽然减去了1000元,但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这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。
2.2 可见性
可见性: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
举个简单的例子,看下面这段代码:
//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
//线程2执行的代码
j = i;
当线程1执行int i = 0这句时,i的初始值0加载到内存中,然后再执行i = 10,那么在内存中i的值变为10了。
如果当线程1执行到int i = 0这句时,此时线程2执行 j = i,它读取i的值并加载到内存中,注意此时内存当中i的值是0,那么就会使得j的值也为0,而不是10。
这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。
2.3 有序性
有序性:程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行
int count = 0;
boolean flag = false;
count = 1; //语句1
flag = true; //语句2
以上代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。
什么是重排序?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。
as-if-serial:无论如何重排序,程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语意)
上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?
再看下面一个例子:
int a = 10; //语句1
int b = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
b = a*a; //语句4
这段代码有4个语句,那么可能的一个执行顺序是: 语句2 语句1 语句3 语句4
不可能是这个执行顺序: 语句2 语句1 语句4 语句3
因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程会有影响
下面看一个例子:
//线程1:
init = false
context = loadContext(); //语句1
init = true; //语句2
//线程2:
while(!init){//如果初始化未完成,等待
sleep();
}
execute(context);//初始化完成,执行逻辑
上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行execute(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。
从上面可以看出,重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。
要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。