图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

Posted 2022-09-06 是温度呀

因为 i 是静态变量，没有经过任何线程安全措施的保护，多个线程会并发修改 i 的值，所以我们认为 i 不是线程安全的，导致这种结果的出现是由于 aThread 和 bThread 中读取的 i 值彼此不可见，所以这是由于 可见性 导致的线程安全问题。

原子性问题

看起来很普通的一段程序却因为两个线程 aThread 和 bThread 交替执行产生了不同的结果。但是根源不是因为创建了两个线程导致的，多线程只是产生线程安全性的必要条件，最终的根源出现在 i++ 这个操作上。

这个操作怎么了？这不就是一个给 i 递增的操作吗？也就是 i++ => i = i + 1，这怎么就会产生问题了？

因为 i++ 不是一个 原子性 操作，仔细想一下，i++ 其实有三个步骤，读取 i 的值，执行 i + 1 操作，然后把 i + 1 得出的值重新赋给 i（将结果写入内存）。

当两个线程开始运行后，每个线程都会把 i 的值读入到 CPU 缓存中，然后执行 + 1 操作，再把 + 1 之后的值写入内存。因为线程间都有各自的虚拟机栈和程序计数器，他们彼此之间没有数据交换，所以当 aThread 执行 + 1 操作后，会把数据写入到内存，同时 bThread 执行 + 1 操作后，也会把数据写入到内存，因为 CPU 时间片的执行周期是不确定的，所以会出现当 aThread 还没有把数据写入内存时，bThread 就会读取内存中的数据，然后执行 + 1操作，再写回内存，从而覆盖 i 的值，导致 aThread 所做的努力白费。

为什么上面的线程切换会出现问题呢？

我们先来考虑一下正常情况下（即不会出现线程安全性问题的情况下）两条线程的执行顺序

可以看到，当 aThread 在执行完整个 i++ 的操作后，操作系统对线程进行切换，由 aThread -> bThread，这是最理想的操作，一旦操作系统在任意 读取/增加/写入 阶段产生线程切换，都会产生线程安全问题。例如如下图所示

最开始的时候，内存中 i = 0，aThread 读取内存中的值并把它读取到自己的寄存器中，执行 +1 操作，此时发生线程切换，bThread 开始执行，读取内存中的值并把它读取到自己的寄存器中，此时发生线程切换，线程切换至 aThread 开始运行，aThread 把自己寄存器的值写回到内存中，此时又发生线程切换，由 aThread -> bThread，线程 bThread 把自己寄存器的值 +1 然后写回内存，写完后内存中的值不是 2 ，而是 1， 内存中的 i 值被覆盖了。

我们上面提到 原子性 这个概念，那么什么是原子性呢？

并发编程的原子性操作是完全独立于任何其他进程运行的操作，原子操作多用于现代操作系统和并行处理系统中。

原子操作通常在内核中使用，因为内核是操作系统的主要组件。但是，大多数计算机硬件，编译器和库也提供原子性操作。

在加载和存储中，计算机硬件对存储器字进行读取和写入。为了对值进行匹配、增加或者减小操作，一般通过原子操作进行。在原子操作期间，处理器可以在同一数据传输期间完成读取和写入。 这样，其他输入/输出机制或处理器无法执行存储器读取或写入任务，直到原子操作完成为止。

简单来讲，就是原子操作要么全部执行，要么全部不执行。数据库事务的原子性也是基于这个概念演进的。

有序性问题

在并发编程中还有带来让人非常头疼的 有序性问题，有序性顾名思义就是顺序性，在计算机中指的就是指令的先后执行顺序。一个非常显而易见的例子就是 JVM 中的类加载

这是一个 JVM 加载类的过程图，也称为类的生命周期，类从加载到 JVM 到卸载一共会经历五个阶段 加载、连接、初始化、使用、卸载。这五个过程的执行顺序是一定的，但是在连接阶段，也会分为三个过程，即 验证、准备、解析 阶段，这三个阶段的执行顺序不是确定的，通常交叉进行，在一个阶段的执行过程中会激活另一个阶段。

有序性问题一般是编译器带来的，编译器有的时候确实是 好心办坏事，它为了优化系统性能，往往更换指令的执行顺序。

活跃性问题
多线程还会带来活跃性问题，如何定义活跃性问题呢？活跃性问题关注的是 某件事情是否会发生。

如果一组线程中的每个线程都在等待一个事件，而这个事件只能由该组中的另一个线程触发，这种情况会导致死锁。

简单一点来表述一下，就是每个线程都在等待其他线程释放资源，而其他资源也在等待每个线程释放资源，这样没有线程抢先释放自己的资源，这种情况会产生死锁，所有线程都会无限的等待下去。

换句话说，死锁线程集合中的每个线程都在等待另一个死锁线程占有的资源。但是由于所有线程都不能运行，它们之中任何一个资源都无法释放资源，所以没有一个线程可以被唤醒。

如果说死锁很痴情的话，那么活锁用一则成语来表示就是 弄巧成拙。

某些情况下，当线程意识到它不能获取所需要的下一个锁时，就会尝试礼貌的释放已经获得的锁，然后等待非常短的时间再次尝试获取。可以想像一下这个场景：当两个人在狭路相逢的时候，都想给对方让路，相同的步调会导致双方都无法前进。

现在假想有一对并行的线程用到了两个资源。它们分别尝试获取另一个锁失败后，两个线程都会释放自己持有的锁，再次进行尝试，这个过程会一直进行重复。很明显，这个过程中没有线程阻塞，但是线程仍然不会向下执行，这种状况我们称之为 活锁(livelock)。
如果我们期望的事情一直不会发生，就会产生活跃性问题，比如单线程中的无限循环

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