多线程环境，线程安全知识点Violatile和synchronized

Posted 2021-04-21 shareeyes

1：什么时候出现线程安全的问题？

在并发编程中，多线程同时并发访问的资源叫做临界资源，当多个线程同时访问对象并要求操作相同资源时，分割了原子操作就有可能出现数据的不一致或者数据不完整的情况，就可能会 产生线程安全问题。

共享资源可以是：一个对象，对象中的属性，一个文件，一个数据库等。

不过当多个线程执行一个方法，方法内部的局部变量并不是临界资源，因为方法是在栈上执行的，而java栈是线程私有的，因此不会产生线程安全问题。

注：线程可以拥有自己的堆栈，自己的程序计数器和自己的局部变量，但不在拥有系统资源，它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。

线程共享的环境包括：进程代码段，进程的公有数据等。利用这些共享的数据等，线程很容易实现相互之间的通信。

2：如何解决线程安全问题？

那么一般来说，是如何解决线程安全问题的呢？

　　基本上所有的并发模式在解决线程安全问题时，都采用“序列化访问临界资源”的方案，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。

　　通常来说，是在访问临界资源的代码前面加上一个锁，当访问完临界资源后释放锁，让其他线程继续访问。

在java中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和Lock。

采用synchronized修饰符实现的同步机制叫做互斥锁机制，它所获得的锁叫做互斥锁。每个对象都有一个monitor(锁标记)，当线程拥有这个锁标记时才能访问这个资源，没有锁标记便进入锁池。任何一个对象系统都会为其创建一个互斥锁，这个锁是为了分配给线程的，防止打断原子操作。每个对象的锁只能分配给一个线程，因此叫做互斥锁。

举个简单的例子：如果对临界资源加上互斥锁，当一个线程在访问该临界资源时，其他线程便只能等待。在Java中，每一个对象都拥有一个锁标记（monitor），也称为监视器，多线程同时访问某个对象时，线程只有获取了该对象的锁才能访问。

在Java中，可以使用synchronized关键字来标记一个方法或者代码块，当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时，这个线程便获得了该对象的锁，其他线程暂时无法访问这个方法，只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕，这个线程才会释放该对象的锁，其他线程才能执行这个方法或者代码块。

synchronized是Java中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

1) 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；

2) 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；

3) 修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象； 

4)修改一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

3：并发编程的三个核心概念：原子性、可见性、有序性。

原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

4:Java中Volatile底层原理

Java提供了volatile来保证可见性。当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，当其他线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。 当然，synchronize和锁都可以保证可见性。

【知识点1】多级存储器结构

对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为CPU寄存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能分工细划为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等6 层。

如图所示，在存储层次中越往上，存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对存储容量也越小。其中，寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。固定磁盘和可移动存储介质属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存。

【知识点2】CPU缓存

CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快的多。

主存储器（简称内存或主存）是计算机系统中一个主要部件，用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器。

1：缓存的主要作用：

缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

2：缓存的工作原理

缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度内存中读取并送给CPU处理，同时将这以后对个数据所在的数据块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必在调用内存。

级别越小的缓存，越接近CPU， 意味着速度越快且容量越少。

L1是最接近CPU的，它容量最小，速度最快，每个核上都有一个L1 Cache(准确地说每个核上有两个L1 Cache， 一个存数据 L1d Cache， 一个存指令 L1i Cache)；

L2 Cache 更大一些，例如256K，速度要慢一些，一般情况下每个核上都有一个独立的L2 Cache；

L3 Cache是三级缓存中最大的一级，例如12MB，同时也是最慢的一级，在同一个CPU插槽之间的核共享一个L3 Cache。

当CPU运作时，它首先去L1寻找它所需要的数据，然后去L2，然后去L3。如果三级缓存都没找到它需要的数据，则从内存里获取数据。寻找的路径越长，耗时越长。所以如果要非常频繁的获取某些数据，保证这些数据在L1缓存里。这样速度将非常快。下表表示了CPU到各缓存和内存之间的大概速度：

从CPU到     　　大约需要的CPU周期  大约需要的时间(单位ns)

寄存器        　　1 cycle

L1 Cache   　　 ~3-4 cycles                  ~0.5-1 ns

L2 Cache 　　   ~10-20 cycles 　   ~3-7 ns

L3 Cache 　　   ~40-45 cycles 　　~15 ns

跨槽传输　　　　　　　　　　　　　    ~20 ns

内存 　　~120-240 cycles            ~60-120ns

操作系统的语义

计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的

数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：

i++i++

当线程运行这段代码时，首先会从主存中读取i( i = 1)，然后复制一份到CPU高速缓存中，然后CPU执行 + 1 （2）的操作，然后将数据（2）写入到告诉缓存中，最后刷新到主存中。其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：假如有两个线程A、B都执行这个操作（i++），按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析如下：

两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，然后线程A执行+1操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B做同样的操作，主存中的i仍然=2。所以最终结果为2并不是3。这种现象就是缓存一致性问题。

解决缓存一致性方案有两种：

通过在总线加LOCK#锁的方式

通过缓存一致性协议

但是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。

第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。

java语言提供了Violatile来确保多处理开发中，共享变量的“可见性”，即当另外一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。它是轻量级的synchronized，不会引起线程上下文的切换和调度，执行开销更小。使用Violatile修饰的变量在汇编阶段，会多出一条lock前缀指令，它在多核处理器下回引发两件事情：

1: 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存

通常处理器和内存之间都有几级缓存来提高处理速度，处理器先将内存中的数据读取到内部缓存后再进行操作，但是对于缓存写会内存的时机则无法得知，因此在一个处理器里修改的变量值，不一定能及时写会缓存，这种变量修改对其他处理器变得“不可见”了。但是，使用Volatile修饰的变量，在写操作的时候，会强制将这个变量所在缓存行的数据写回到内存中，但即使写回到内存，其他处理器也有可能使用内部的缓存数据，从而导致变量不一致，所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期，如果过期，就会将该缓存行设置成无效状态，下次要使用就会重新从内存中读取。

以上知识来自其他博客的精华，顺便整理一下。