• 诡异的并发之有序性


    上一节我和大家一起打到了并发中的恶霸可见性原子性,这一节我们继续讨伐三恶之一的有序性。

    序、有序性的阐述

    有序性为什么要探讨?因为Java是面向对象编程的,关注的只是最终结果,很少去研究其具体执行过程?正如上一篇文章在介绍可见性时描述的一样,操作系统为了提升性能,将Java语言转换成机器语言的时候,吩咐编译器对语句的执行顺序进行了一定的修改,以促使系统性能达到最优。所以在很多情况下,访问一个程序变量(对象实例字段,类静态字段和数组元素)可能会使用不同的顺序执行,而不是程序语义所指定的顺序执行。

    正如大家所熟知那样,Java语言是运行在Java自带的Jvm(Java Virtual Machine)环境中,在JVM环境中源代码(.class)的执行顺序与程序的执行顺序(runtime)不一致,或者程序执行顺序与编译器执行顺序不一致的情况下,我们就称程序执行过程中发生了重排序

    而编译器的这种修改是自以为能保证最终运行结果!因为在单核时代完全没问题;但是随着多核时代的到来,多线程的环境下,这种优化碰上线程切换就大大的增加了事故的出现几率!

    也就是说,有序性 指的是在代码顺序结构中,我们可以直观的指定代码的执行顺序, 即从上到下按序执行。但编译器和CPU处理器会根据自己的决策,对代码的执行顺序进行重新排序。优化指令的执行顺序,提升程序的性能和执行速度,使语句执行顺序发生改变,出现重排序,但最终结果看起来没什么变化(单核)。

    有序性问题 指的是在多线程环境下(多核),由于执行语句重排序后,重排序的这一部分没有一起执行完,就切换到了其它线程,导致的结果与预期不符的问题。这就是编译器的编译优化给并发编程带来的程序有序性问题。

    用图示就是:

    总结起来就是:编译优化最终导致了有序性问题。

    一、导致有序性的原因:

    如果一个线程写入值到字段a,然后写入值到字段b,而且b的值不依赖于a的值,那么,处理器就能够自由的调整它们的执行顺序,而且缓冲区能够在a之前刷新b的值到主内存。此时就可能会出现有序性问题。

    例子:

    import java.time.LocalDateTime;
    
    /**
     * @author :mmzsblog
     * @description:并发中的有序性问题
     * @date :2020年2月26日 15:22:05
     */
    public class OrderlyDemo {
    
        static int value = 1;
        private static boolean flag = false;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 199; i++) {
                value = 1;
                flag = false;
                Thread thread1 = new DisplayThread();
                Thread thread2 = new CountThread();
                thread1.start();
                thread2.start();
                System.out.println("=========================================================");
                Thread.sleep(6000);
            }
        }
    
        static class DisplayThread extends Thread {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread begin, time:" + LocalDateTime.now());
                value = 1024;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " change flag, time:" + LocalDateTime.now());
                flag = true;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread end, time:" + LocalDateTime.now());
            }
        }
    
        static class CountThread extends Thread {
            @Override
            public void run() {
                if (flag) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是:" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is true,  time:" + LocalDateTime.now());
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是:" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is false, time:" + LocalDateTime.now());
                }
            }
        }
    }
    

    运行结果:

    从打印的可以看出:在DisplayThread线程执行的时候肯定是发生了重排序,导致先为flag赋值,然后切换到CountThread线程,这才出现了打印的value值是1,falg值是true的情况,再为value赋值;不过出现这种情况的原因就是这两个赋值语句之间没有联系,所以编译器在进行代码编译的时候就可能进行指令重排序。

    用图示,则为:

    二、如何解决有序性

    2.1、volatile

    volatile 的底层是使用内存屏障来保证有序性的(让一个Cpu缓存中的状态(变量)对其他Cpu缓存可见的一种技术)。

    volatile 变量有条规则是指对一个 volatile 变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。并且这个规则具有传递性,也就是说:

    此时,我们定义变量flag时使用volatile关键字修饰,如:

        private static volatile boolean flag = false;
    

    此时,变量的含义是这样子的:

    也就是说,只要读取到flag=true;就能读取到value=1024;否则就是读取到flag=false;value=1的还没被修改过的初始状态;

    但也有可能会出现线程切换带来的原子性问题,就是读取到flag=false;value=1024的情况;看过上一篇讲述原子性的文章的小伙伴,可能就立马明白了,这是线程切换导致的。

    2.2、加锁

    此处我们直接采用Java语言内置的关键字synchronized,为可能会重排序的部分加锁,让其在宏观上或者说执行结果上看起来没有发生重排序。

    代码修改也很简单,只需用synchronized关键字修饰run方法即可,代码如下:

        public synchronized void run() {
            value = 1024;
            flag = true;
        }
    

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    同理,既然是加锁,当然也可以使用Lock加锁,但Lock必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。这点在使用的时候一定要注意!使用该种方式加锁也很简单,代码如下:

        readWriteLock.writeLock().lock();
        try {
            value = 1024;
            flag = true;
        } finally {
            readWriteLock.writeLock().unlock();
        }
    

    好了,以上内容就是我对并法中的有序性的一点理解与总结了,通过这三篇文章我们也就大致掌握了并发中常见的可见性、有序性、原子性问题以及它们常见的解决方案。

    最后

    最后简单总结下三篇文章文章中使用的解决方案之间的区别:

    特性 Atomic变量 volatile关键字 Lock接口 synchronized关键字
    原子性 可以保障 无法保障 可以保障 可以保障
    可见性 可以保障 可以保障 可以保障 可以保障
    有序性 无法保障 一定程度保障 可以保障 可以保障

    参考文章:

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/mmzs/p/12374045.html
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