Java线程同步问题产生的根源

Posted 2020-10-15

1，缓存的引入：

计算机的运算任务不可能只靠处理器计算就能完成，处理器至少要与内存交互。由于计算机的存储设备与处理器的运算速度以几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来了更高的复杂度，因为它引入了一个新问题：缓存一致性。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主内存，当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓冲数据不一致。而Java正是通过共享内存的方式进行线程间的通信的，所以线程同步问题随之而来。

2，重排序：

为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的执行重排序。也就是说为了优化程序性能编译器和处理器会对指令序列进行重排序。如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。JMM保证在单线程程序中如果两个操作存在依赖性那么编译器和处理器不会对其进行重排序，但是不同处理器之间和不同线程之间的数据依赖性不被编译器和处理器考虑。

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