3、共享模型之管程 -- 3.1、共享带来的问题

1、共享带来的问题

小故事

• 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
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• 小南、小女（线程）来使用这个算盘进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
• 但小南不能一天24小事使用算盘，他经常要小憩一会儿（sleep），又或者是去吃饭上厕所（阻塞io操作），有时还需要一根烟，没烟的时候思绪全无（wait），这些情况称为阻塞
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• 在这些时候，算盘没有利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
• 另外，小女也想用用算盘，如果总是让小南占着算盘，小女觉得不公平
• 于是，老王灵机一动，想了个办法[让他们每个人用一会，轮流着使用算盘]
• 这样，小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，反之亦然
• 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主内存），把一些中间结果先记在本上
• 计算流程是这样的
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• 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
• 小南刚读取到初始值0做了个+1运算，还没来得及写会结果
• 老王说[小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧]，于是小南念叨着[结果是1，结果是1…]，不甘心的到一边待着去了（上下文切换）
• 老王说[小女，该你了]，小女看到笔记本上还写着0做了个-1运算，将结果-1写入笔记本
• 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑中的结果1写入了笔记本
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• 小南和小女都觉得自己没做错，单笔记本里的结果是1而不是0

Java的体现

两个线程对初始值为0的静态变量一个做自增，一个做自建，各做5000次，结果是0吗？

    static int counter = 0;

    static final int times = 5000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < times; i++) {
                counter++;
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < times; i++) {
                counter--;
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("结果：{}", counter);
    }

输出

2022/03/04-00:15:33.287 [main] c.Test1 - 结果：332

问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为Java中对静态变量的自增、自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析。
例如对于i++而言（i为静态变量），事假会产生如下的JVM字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应i--也是类似的：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

Java的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主内存和工作内存中进行数据交换（这块会在别的章节进行叙述）：

如果单线程，以上8行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这8航大吗可能交错运行：
出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区 Critical Section

• 一个程序运行多个线程本身是没有偶问题的
• 问题出在多个线程访问共享资源
  • 多个线程读共享资源其实也没有问题
  • 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
• 一段代码内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码为临界区
  例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{
	counter++;
}
static void decrement() 
// 临界区
{
	counter--;
}

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之发生了竞态条件