Java 多线程梳理（二、线程安全）

链接: Java 多线程梳理（一、线程概述）.

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• 线程安全问题
• 原子性
• 可见性
• 有序性
• java内存模型

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2. 线程安全问题

多线程安全主要是指多个线程对同一个对象的实例变量进行操作时,会出现值被更改,值不同步的情况.

线程安全问题表现为三个方面: 原子性,可见性和有序性

2.1 原子性

原子(Atomic) 就是不可分割的意思. 原子操作的不可分割有两层含义:

1. 访问(读,写)某个共享变量的操作从其他线程来看,该操作要么已经执行完毕,要么尚未发生, 即其他线程年看不到当前操作的中间结果
2. 访问同一组共享变量的原子操作是不能够交错的

Java 有两种方式实现原子性：

1. 一种是使用锁; 锁具有排它性,保证共享变量在某一时刻只能被一个线程访问.
2. 一种利用处理器的 CAS(Compare and Swap)指令. CAS 指令直接在硬件(处理器和内存)层次上实现,看作是硬件锁

例：
如现实生活中从 ATM 机取款, 对于用户来说,要么操作成功,用户拿到钱, 余额减少了,增加了一条交易记录; 要么没拿到钱,相当于取款操作没有发生。

2.2 可见性

在多线程环境中, 一个线程对某个共享变量进行更新之后 , 后续其他的线程可能无法立即读到这个更新的结果, 这就是线程安全问题的另外一种形式: 可见性(visibility).

如果一个线程对共享变量更新后, 后续访问该变量的其他线程可以读到更新的结果, 称这个线程对共享变量的更新对其他线程可见, 否则称这个线程对共享变量的更新对其他线程不可见.

多线程程序因为可见性问题可能会导致其他线程读取到了旧数据(脏数据).

2.3 有序性

有序性(Ordering)是指在某些情况下一个处理器上运行的一个线程所执行的 内存访问操作在另外一个处理器运行的其他线程看来是乱序的(Out of Order)

乱序是指内存访问操作的顺序看起来发生了变化

2.3.1 重排序

在多核处理器的环境下,编写的顺序结构,这种操作执行的顺序可能是没有保障的：

1. 编译器可能会改变两个操作的先后顺序;
2. 处理器也可能不会按照目标代码的顺序执行;

• 这种一个处理器上执行的多个操作,在其他处理器来看它的顺序与目标代码指定的顺序可能不一样,这种现象称为重排序.

• 重排序是对内存访问有序操作的一种优化,可以在不影响单线程程序正确的情况下提升程序的性能.但是,可能 对多线程程序的正确性产生影响,即可能导致线程安全问题

• 重排序与可见性问题类似,不是必然出现的.

与内存操作顺序有关的几个概念:

1. 源代码顺序, 就是源码中指定的内存访问顺序.
2. 程序顺序, 处理器上运行的目标代码所指定的内存访问顺序
3. 执行顺序,内存访问操作在处理器上的实际执行顺序
4. 感知顺序,给定处理器所感知到的该处理器及其他处理器的内存访问操作的顺序

可以把重排序分为指令重排序与存储子系统重排序两种.

1. 指令重排序主要是由 JIT 编译器,处理器引起的, 指程序顺序与执行顺序不一样
2. 存储子系统重排序是由高速缓存,写缓冲器引起的, 感知顺序与执行顺序 不一致

2.3.2 指令重排序

• 在源码顺序与程序顺序不一致,或者程序顺序与执行顺序不一致的情况下,我们就说发生了指令重排序(Instruction Reorder).
• 指令重排是一种动作,确实对指令的顺序做了调整, 重排序的对象指令.
• javac 编译器一般不会执行指令重排序, 而 JIT 编译器可能执行指令重排序. 处理器也可能执行指令重排序, 使得执行顺序与程序顺序不一致. 指令重排不会对单线程程序的结果正确性产生影响,可能导致多线程程序出现非预期的结果.

2.3.3 存储子系统重排序

as-if-serial语义：
as-if-serial语义的意思是，所有的操作均可以为了优化而被重排序，但是你必须要保证重排序后执行的结果不能被改变，编译器、runtime、处理器都必须遵守as-if-serial语义。注意as-if-serial只保证单线程环境，多线程环境下无效。

存储子系统重排序是由高速缓存，写缓冲器引起的，感知顺序与执行顺序不一致，即使处理器严格按照程序顺序执行的两个内存访问操作，在存储子系统的操作下，其他处理器对这两个操作的感知顺序与程序顺序不一致，即着两个操作的顺序看起来像是发生了变化，这就是存储子系统重排序。

存储子系统重排序没有真正的对指令顺序做出调整，而是造成一种指令顺序被调整的现象，存储子系统重排序对象是内存操作的结果。

从处理器角度来看, 读内存就是从指定的 RAM 地址中加载数据到寄存器,称为 Load 操作; 写内存就是把数据存储到指定的地址表示的 RAM 存储单元中,称为 Store 操作.内存重排序有以下四种可能:

LoadLoad 重排序,一个处理器先后执行两个读操作 L1 和 L2,其他处理器对两个内存操作的感知顺序可能是 L2->L1

StoreStore 重排序,一个处理器先后执行两个写操作 W1 和 W2,其他处理器对两个内存操作的感知顺序可能是 W2->W1

LoadStore 重排序,一个处理器先执行读内存操作 L1 再执行写内存操作 W1, 其他处理器对两个内存操作的感知顺序可能是 W1->L1

StoreLoad重排序,一个处理器先执行写内存操作W1再执行读内存操作 L1, 其他处理器对两个内存操作的感知顺序可能是 L1->W1

2.4 Java 内存模型

参考资料：

Java多线程实战精讲-带你一次搞明白Java多线程高并发.