并發(fā)編程是Java程序員最重要的技能之一，也是最難掌握的一種技能。它要求編程者對計算機最底層的運作原理有深刻的理解，同時要求編程者邏輯清晰、思維縝密，這樣才能寫出高效、安全、可靠的多線程并發(fā)程序。本系列會從線程間協(xié)調(diào)的方式（wait、notify、notifyAll）、Synchronized及Volatile的本質入手，詳細解釋JDK為我們提供的每種并發(fā)工具和底層實現(xiàn)機制。在此基礎上，我們會進一步分析java.util.concurrent包的工具類，包括其使用方式、實現(xiàn)源碼及其背后的原理。本文是該系列的第一篇文章，是這系列中最核心的理論部分，之后的文章都會以此為基礎來分析和解釋。

一、共享性

　　數(shù)據(jù)共享性是線程安全的主要原因之一。如果所有的數(shù)據(jù)只是在線程內(nèi)有效，那就不存在線程安全性問題，這也是我們在編程的時候經(jīng)常不需要考慮線程安全的主要原因之一。但是，在多線程編程中，數(shù)據(jù)共享是不可避免的。最典型的場景是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，我們通常需要共享同一個數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，即使是在主從的情況下，訪問的也同一份數(shù)據(jù)，主從只是為了訪問的效率和數(shù)據(jù)安全，而對同一份數(shù)據(jù)做的副本。我們現(xiàn)在，通過一個簡單的示例來演示多線程下共享數(shù)據(jù)導致的問題：

代碼段一：

package com.paddx.test.concurrent;

public class ShareData {
  public static int count = 0;

  public static void main(String[] args) {
    final ShareData data = new ShareData();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            //進入的時候暫停1毫秒，增加并發(fā)問題出現(xiàn)的幾率
            Thread.sleep(1);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          for (int j = 0; j < 100; j++) {
            data.addCount();
          }
          System.out.print(count + " ");
        }
      }).start();

    }
    try {
      //主程序暫停3秒，以保證上面的程序執(zhí)行完成
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("count=" + count);
  }

  public void addCount() {
    count++;
  }
}

　　上述代碼的目的是對count進行加一操作，執(zhí)行1000次，不過這里是通過10個線程來實現(xiàn)的，每個線程執(zhí)行100次，正常情況下，應該輸出1000。不過，如果你運行上面的程序，你會發(fā)現(xiàn)結果卻不是這樣。下面是某次的執(zhí)行結果（每次運行的結果不一定相同，有時候也可能獲取到正確的結果）：

可以看出，對共享變量操作，在多線程環(huán)境下很容易出現(xiàn)各種意想不到的的結果。

二、互斥性

　　資源互斥是指同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。我們通常允許多個線程同時對數(shù)據(jù)進行讀操作，但同一時間內(nèi)只允許一個線程對數(shù)據(jù)進行寫操作。所以我們通常將鎖分為共享鎖和排它鎖，也叫做讀鎖和寫鎖。如果資源不具有互斥性，即使是共享資源，我們也不需要擔心線程安全。例如，對于不可變的數(shù)據(jù)共享，所有線程都只能對其進行讀操作，所以不用考慮線程安全問題。但是對共享數(shù)據(jù)的寫操作，一般就需要保證互斥性，上述例子中就是因為沒有保證互斥性才導致數(shù)據(jù)的修改產(chǎn)生問題。Java 中提供多種機制來保證互斥性，最簡單的方式是使用Synchronized。現(xiàn)在我們在上面程序中加上Synchronized再執(zhí)行：

代碼段二：

package com.paddx.test.concurrent;

public class ShareData {
  public static int count = 0;

  public static void main(String[] args) {
    final ShareData data = new ShareData();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            //進入的時候暫停1毫秒，增加并發(fā)問題出現(xiàn)的幾率
            Thread.sleep(1);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          for (int j = 0; j < 100; j++) {
            data.addCount();
          }
          System.out.print(count + " ");
        }
      }).start();

    }
    try {
      //主程序暫停3秒，以保證上面的程序執(zhí)行完成
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("count=" + count);
  }

  /**
   * 增加 synchronized 關鍵字
   */
  public synchronized void addCount() {
    count++;
  }
}

　　現(xiàn)在再執(zhí)行上述代碼，會發(fā)現(xiàn)無論執(zhí)行多少次，返回的最終結果都是1000。

三、原子性

　　原子性就是指對數(shù)據(jù)的操作是一個獨立的、不可分割的整體。換句話說，就是一次操作，是一個連續(xù)不可中斷的過程，數(shù)據(jù)不會執(zhí)行的一半的時候被其他線程所修改。保證原子性的最簡單方式是操作系統(tǒng)指令，就是說如果一次操作對應一條操作系統(tǒng)指令，這樣肯定可以能保證原子性。但是很多操作不能通過一條指令就完成。例如，對long類型的運算，很多系統(tǒng)就需要分成多條指令分別對高位和低位進行操作才能完成。還比如，我們經(jīng)常使用的整數(shù) i++ 的操作，其實需要分成三個步驟：（1）讀取整數(shù) i 的值；（2）對 i 進行加一操作；（3）將結果寫回內(nèi)存。這個過程在多線程下就可能出現(xiàn)如下現(xiàn)象：

這也是代碼段一執(zhí)行的結果為什么不正確的原因。對于這種組合操作，要保證原子性，最常見的方式是加鎖，如Java中的Synchronized或Lock都可以實現(xiàn)，代碼段二就是通過Synchronized實現(xiàn)的。除了鎖以外，還有一種方式就是CAS（Compare And Swap），即修改數(shù)據(jù)之前先比較與之前讀取到的值是否一致，如果一致，則進行修改，如果不一致則重新執(zhí)行，這也是樂觀鎖的實現(xiàn)原理。不過CAS在某些場景下不一定有效，比如另一線程先修改了某個值，然后再改回原來值，這種情況下，CAS是無法判斷的。

四、可見性

 　　要理解可見性，需要先對JVM的內(nèi)存模型有一定的了解，JVM的內(nèi)存模型與操作系統(tǒng)類似，如圖所示：

從這個圖中我們可以看出，每個線程都有一個自己的工作內(nèi)存（相當于CPU高級緩沖區(qū)，這么做的目的還是在于進一步縮小存儲系統(tǒng)與CPU之間速度的差異，提高性能），對于共享變量，線程每次讀取的是工作內(nèi)存中共享變量的副本，寫入的時候也直接修改工作內(nèi)存中副本的值，然后在某個時間點上再將工作內(nèi)存與主內(nèi)存中的值進行同步。這樣導致的問題是，如果線程1對某個變量進行了修改，線程2卻有可能看不到線程1對共享變量所做的修改。通過下面這段程序我們可以演示一下不可見的問題：

package com.paddx.test.concurrent;

public class VisibilityTest {
  private static boolean ready;
  private static int number;

  private static class ReaderThread extends Thread {
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      if (!ready) {
        System.out.println(ready);
      }
      System.out.println(number);
    }
  }

  private static class WriterThread extends Thread {
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      number = 100;
      ready = true;
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    new WriterThread().start();
    new ReaderThread().start();
  }
}

從直觀上理解，這段程序應該只會輸出100，ready的值是不會打印出來的。實際上，如果多次執(zhí)行上面代碼的話，可能會出現(xiàn)多種不同的結果，下面是我運行出來的某兩次的結果：

當然，這個結果也只能說是有可能是可見性造成的，當寫線程（WriterThread）設置ready=true后，讀線程（ReaderThread）看不到修改后的結果，所以會打印false，對于第二個結果，也就是執(zhí)行if (!ready)時還沒有讀取到寫線程的結果，但執(zhí)行System.out.println(ready)時讀取到了寫線程執(zhí)行的結果。不過，這個結果也有可能是線程的交替執(zhí)行所造成的。Java 中可通過Synchronized或Volatile來保證可見性，具體細節(jié)會在后續(xù)的文章中分析。

五、順序性

　　為了提高性能，編譯器和處理器可能會對指令做重排序。重排序可以分為三種：

　?。?）編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

　　（2）指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執(zhí)行順序。
　?。?）內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

　　我們可以直接參考一下JSR 133 中對重排序問題的描述：

　　　　　　　?。?）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

先看上圖中的（1）源碼部分，從源碼來看，要么指令 1 先執(zhí)行要么指令 3先執(zhí)行。如果指令 1 先執(zhí)行，r2不應該能看到指令 4 中寫入的值。如果指令 3 先執(zhí)行，r1不應該能看到指令 2 寫的值。但是運行結果卻可能出現(xiàn)r2==2，r1==1的情況，這就是“重排序”導致的結果。上圖（2）即是一種可能出現(xiàn)的合法的編譯結果，編譯后，指令1和指令2的順序可能就互換了。因此，才會出現(xiàn)r2==2，r1==1的結果。Java 中也可通過Synchronized或Volatile來保證順序性。

六 總結

　　本文對Java 并發(fā)編程中的理論基礎進行了講解，有些東西在后續(xù)的分析中還會做更詳細的討論，如可見性、順序性等。后續(xù)的文章都會以本章內(nèi)容作為理論基礎來討論。如果大家能夠很好的理解上述內(nèi)容，相信無論是去理解其他并發(fā)編程的文章還是在平時的并發(fā)編程的工作中，都能夠對大家有很好的幫助。

最新評論