JAVA并发编程：核心理论

Posted 2021-02-16 一叶一落秋

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JAVA并发编程：核心理论相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、共享性

　　数据共享性是线程安全的主要原因之一。如果所有的数据只在线程内有效，那就不存在线程安全性问题，这也是我们在编程的时候经常不需要考虑线程安全的主要情况之一。但是在多线程编程中，数据共享是不可避免的。最典型的场景就是数据库中的数据，为了保证数据的一致性，我们通常需要共享同一个数据库中的数据，即使在主从的情况下，访问的也是同一份数据，主从只是为了访问的效率和数据安全，而对同一份数据做的副本。

代码段一：

public class DiskMemory {

    private int totalSize = 0;

    private static int TEST_COUNT = 20;

    public int getSize() {
        return 10;
    }

    //2、使用 public synchronized void setSize(int size) {}
    public void setSize(int size) {
        totalSize += size;
    }

    public int getTotalSize() {
        return totalSize;
    }

    public static void main() throws InterruptedException {
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(TEST_COUNT);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(TEST_COUNT * 2);

        final DiskMemory diskMemory = new DiskMemory();

        final Object lock = new Object();

        for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try{
                        Thread.sleep(5);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    int size = diskMemory.getSize();
                    //1、此处限制
                    synchronized (lock) {
                        diskMemory.setSize(size);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.print(diskMemory.getTotalSize() + " ");
        service.shutdown();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i = 0; i < 30; i++) {
            main();
        }
    }
}

上述代码模拟了多个用户同时向一个银行账号存钱操作，正常情况下20个人多一个账号存10，最后账号应该会是200，但是多次测试会发现，结果并不是这样（虽然也会出现正确情况）

二、互斥性

　　资源互斥性是指同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。我们通常允许多个线程同时对数据进行读操作，但同一时间内只允许一个线程对数据进行写操作。所以我们通常将锁分为共享锁和排它锁，也叫做读锁和写锁。如果资源不具有互斥性，即使是共享资源，我们也不需要担心线程安全。例如：对于不可变得数据共享，所有线程都只能对其进行读操作，所以不需考虑线程安全问题。但是对共享数据的写操作，一般就需要保证互斥性。

代码二

public class DiskMemory {

    private int totalSize = 0;

    private static int TEST_COUNT = 20;

    public int getSize() {
        return 10;
    }

    //2、使用 public synchronized void setSize(int size) {}
    public void setSize(int size) {
        totalSize += size;
    }

    public int getTotalSize() {
        return totalSize;
    }

    public static void main() throws InterruptedException {
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(TEST_COUNT);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(TEST_COUNT * 2);

        final DiskMemory diskMemory = new DiskMemory();

        final Object lock = new Object();

        for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try{
                        Thread.sleep(5);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    int size = diskMemory.getSize();
                    //1、此处限制
                    synchronized (lock) {
                        diskMemory.setSize(size);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.print(diskMemory.getTotalSize() + " ");
        service.shutdown();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i = 0; i < 30; i++) {
            main();
        }
    }
}

上述代码对代码一进行了改进，进行了同步锁操作，加入了synchronized关键字，测试执行了30次，每次都输出200，可以增大测试数目进行验证。

三、原子性

　　原子性是指对数据的操作是一个独立的、不可分割的整体。换句话说就是一次操作，是一个连续不可中断的过程，数据不会执行一半的时候被其他线程所修改。保证原子性的最简单方式就是操作系统指令，就是说如果一次操作对应一条操作系统指令，这样肯定可以保证原子性。但是很多操作不能通过一条指令就完成。例如：对long类型的运算，很多系统就需要分成多条指令分别对高位和低位进行操作才能完成。还比如，我们经常使用的 i++ 操作，其实需要分为三个步骤：

（1）读取整数i的值

（2）对i进行加一操作

（3）将结果写会内存。

这个过程在多线程下就可能出现如下现象：

这也是代码段一执行的结果为什么不正确的原因。对于这种组合操作，要保证原子性，最常见的方式是加锁，如Java中的Synchronized关键字或者Lock都可以实现，代码二就是通过Synchronized关键字实现的。除了锁以外，还有一种方式就是CAS，即修改数据之前先比较与之前读取到的值是否一致，如果一致则进行修改，如果不一致则重新执行，这也是乐观锁的实现原理。不过CAS在某些场景下不一定有效，比如另一个线程先修改了某个值，然后再改回原来值，这种情况，CAS无法判断。

四、可见性

　　上图为JVM模型，可以看出某个线程操作都会有一个工作内存（相当于CPU高级缓存区），对于共享变量，线程每次读取的是工作内存中共享变量的副本，写入的时候也是直接修改工作内存中副本的值，然后在某个时间点上再将工作内存与主内存的值进行同步。这样就导致了一个问题，如果线程1对某个变量进行了修改，线程2却有可能看不到线程1对共享变量所做的修改。

代码三

package com.lynn.learning.thread;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @Author zhouxk
 * @Date 2019-04-13 23:48
 * @project com.lynn.learning.thread
 * @Version: 1.0
 **/
public class VisibilityTest {

    private static boolean ready;

    private static int number;

    private static CountDownLatch countDownLatch;

    private static void dataInit() {
        ready = false;
        number = 0;
        countDownLatch = new CountDownLatch(2);
    }

    private static class ReaderThread extends Thread {
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(40);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.print(number + " " + ready + " ");
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

    private static class WriterThread extends Thread {
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(40);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            number = 100;
            ready = true;
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            main();
        }
    }

    public static void main() throws InterruptedException{
        dataInit();
        new ReaderThread().start();
        new WriterThread().start();
        countDownLatch.await();
    }
}

从直观上理解，这段代码应该会输入100，ready的值是不会被打印出来的。实际上，如果多次运行上面的代码，可能会出现多种不同的结果。

当前，这个结果也只能说有可能是不可见性造成的，当写线程（ReaderThread）设置ready=true后，读线程（WriterThread）看不到修改后的结果，所以会打印false。这个结果也可能是线程的交替执行造成的。Java中可通过synchronizedhe或volatile来保证可见性。

五、有序性

　　为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令做重排序。重排序可以分为以下三种：

（1）编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

（2）指令级并行的重排序。

（3）内存系统重排序。

从（1）源码来看，要么指令1先执行要么指令3先执行。如果指令1先执行，r2不应该看到指令4中写入的值。如果指令3先执行，r1就不应该看到指令2写入的值。但是运行结果却可能出现r2 == 2，r1 == 1的情况，这就是重排序导致的结果。

（2）是一种可能出现的合法的编译结果，编译后，指令1和指令2的顺序就互换了。因此，才会可闲r2 == 2，r1 == 1的结果。java中也是通过synchronized或volatile来保证顺序性。

以上是关于JAVA并发编程：核心理论的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java并发编程：Synchronized及其实现原理